2020-09-17 게시 됨2021-08-22 업데이트 됨Study / AI9시간안에 읽기 (약 78685 단어)

3주차 - 딥러닝을 이용한 자연어처리 입문(위키독스)

42NLP_week3

NLP를 위한 합성곱 신경망¶

1) 합성곱 신경망¶

이미지 처리에 효율적인 신경망
크게 Convolution layer와 Pooling layer로 구성됨.

1. 합성곱 신경망의 대두¶

다층 퍼셉트론을 이용하여 이미지 처리를 진행했었음.
사진을 2차원 텐서인 행렬로 표현하며, 각 픽셀의 입력값으로 구분했었음.
하지만 2차원 텐서는 공간적인 구조(spatial structure) 정보를 보존할 수 없음.
이를 대체하기 위해 합성곱 신경망이 사용됨.

채널¶

기계는 이미지보다 숫자, 즉 텐서를 더 잘 처리할 수 있음.
이미지는 (높이, 너비, 채널)이라는 3차원 텐서이다.
- 높이: 세로방향 픽셀수 (0 ~ 255)
- 너비: 가로방향 픽셀수 (0 ~ 255)
- 채널: 색 성분 (흑백 이미지는 채널 수가 1, 통상적인 컬러 이미지는 채널 수가 3)

합성곱연산 (Convolution Operation)¶

Convolution Layer에서는 합성곱 연산을 통해 이미지의 특징을 추출한다.
이미지의 가장 왼쪽 위부터 가장 오른쪽까지 순차적으로 훑게 됨.

합성곱신경망 계산방식

패딩¶

합성곱 연산으로 얻은 맵은 입력보다 크기가 작아짐.
합성곱 연산 이후에도 맵의 크기가 입력과 동일하게 유지되도록 하고 싶으면 패딩(padding)을 이용하면 된다.

다수의 채널을 가질 경우 합성곱 연산¶

커널의 각 채널들은 같은 크기여야 함.
채널 간 합성곱 연산을 마친 이후에 그 결과를 모두 더해서 하나의 채널을 가지는 특성맵을 만든다.

2) 1D CNN으로 IMDB 리뷰 분류하기¶

In [ ]:

from tensorflow.keras import datasets
from tensorflow.keras.preprocessing.sequence import pad_sequences

vocab_size = 10000
(X_train, y_train), (X_test, y_test) = datasets.imdb.load_data(num_words = vocab_size)
print(X_train[:5])

Downloading data from https://storage.googleapis.com/tensorflow/tf-keras-datasets/imdb.npz
17465344/17464789 [==============================] - 0s 0us/step
[list([1, 14, 22, 16, 43, 530, 973, 1622, 1385, 65, 458, 4468, 66, 3941, 4, 173, 36, 256, 5, 25, 100, 43, 838, 112, 50, 670, 2, 9, 35, 480, 284, 5, 150, 4, 172, 112, 167, 2, 336, 385, 39, 4, 172, 4536, 1111, 17, 546, 38, 13, 447, 4, 192, 50, 16, 6, 147, 2025, 19, 14, 22, 4, 1920, 4613, 469, 4, 22, 71, 87, 12, 16, 43, 530, 38, 76, 15, 13, 1247, 4, 22, 17, 515, 17, 12, 16, 626, 18, 2, 5, 62, 386, 12, 8, 316, 8, 106, 5, 4, 2223, 5244, 16, 480, 66, 3785, 33, 4, 130, 12, 16, 38, 619, 5, 25, 124, 51, 36, 135, 48, 25, 1415, 33, 6, 22, 12, 215, 28, 77, 52, 5, 14, 407, 16, 82, 2, 8, 4, 107, 117, 5952, 15, 256, 4, 2, 7, 3766, 5, 723, 36, 71, 43, 530, 476, 26, 400, 317, 46, 7, 4, 2, 1029, 13, 104, 88, 4, 381, 15, 297, 98, 32, 2071, 56, 26, 141, 6, 194, 7486, 18, 4, 226, 22, 21, 134, 476, 26, 480, 5, 144, 30, 5535, 18, 51, 36, 28, 224, 92, 25, 104, 4, 226, 65, 16, 38, 1334, 88, 12, 16, 283, 5, 16, 4472, 113, 103, 32, 15, 16, 5345, 19, 178, 32])
 list([1, 194, 1153, 194, 8255, 78, 228, 5, 6, 1463, 4369, 5012, 134, 26, 4, 715, 8, 118, 1634, 14, 394, 20, 13, 119, 954, 189, 102, 5, 207, 110, 3103, 21, 14, 69, 188, 8, 30, 23, 7, 4, 249, 126, 93, 4, 114, 9, 2300, 1523, 5, 647, 4, 116, 9, 35, 8163, 4, 229, 9, 340, 1322, 4, 118, 9, 4, 130, 4901, 19, 4, 1002, 5, 89, 29, 952, 46, 37, 4, 455, 9, 45, 43, 38, 1543, 1905, 398, 4, 1649, 26, 6853, 5, 163, 11, 3215, 2, 4, 1153, 9, 194, 775, 7, 8255, 2, 349, 2637, 148, 605, 2, 8003, 15, 123, 125, 68, 2, 6853, 15, 349, 165, 4362, 98, 5, 4, 228, 9, 43, 2, 1157, 15, 299, 120, 5, 120, 174, 11, 220, 175, 136, 50, 9, 4373, 228, 8255, 5, 2, 656, 245, 2350, 5, 4, 9837, 131, 152, 491, 18, 2, 32, 7464, 1212, 14, 9, 6, 371, 78, 22, 625, 64, 1382, 9, 8, 168, 145, 23, 4, 1690, 15, 16, 4, 1355, 5, 28, 6, 52, 154, 462, 33, 89, 78, 285, 16, 145, 95])
 list([1, 14, 47, 8, 30, 31, 7, 4, 249, 108, 7, 4, 5974, 54, 61, 369, 13, 71, 149, 14, 22, 112, 4, 2401, 311, 12, 16, 3711, 33, 75, 43, 1829, 296, 4, 86, 320, 35, 534, 19, 263, 4821, 1301, 4, 1873, 33, 89, 78, 12, 66, 16, 4, 360, 7, 4, 58, 316, 334, 11, 4, 1716, 43, 645, 662, 8, 257, 85, 1200, 42, 1228, 2578, 83, 68, 3912, 15, 36, 165, 1539, 278, 36, 69, 2, 780, 8, 106, 14, 6905, 1338, 18, 6, 22, 12, 215, 28, 610, 40, 6, 87, 326, 23, 2300, 21, 23, 22, 12, 272, 40, 57, 31, 11, 4, 22, 47, 6, 2307, 51, 9, 170, 23, 595, 116, 595, 1352, 13, 191, 79, 638, 89, 2, 14, 9, 8, 106, 607, 624, 35, 534, 6, 227, 7, 129, 113])
 list([1, 4, 2, 2, 33, 2804, 4, 2040, 432, 111, 153, 103, 4, 1494, 13, 70, 131, 67, 11, 61, 2, 744, 35, 3715, 761, 61, 5766, 452, 9214, 4, 985, 7, 2, 59, 166, 4, 105, 216, 1239, 41, 1797, 9, 15, 7, 35, 744, 2413, 31, 8, 4, 687, 23, 4, 2, 7339, 6, 3693, 42, 38, 39, 121, 59, 456, 10, 10, 7, 265, 12, 575, 111, 153, 159, 59, 16, 1447, 21, 25, 586, 482, 39, 4, 96, 59, 716, 12, 4, 172, 65, 9, 579, 11, 6004, 4, 1615, 5, 2, 7, 5168, 17, 13, 7064, 12, 19, 6, 464, 31, 314, 11, 2, 6, 719, 605, 11, 8, 202, 27, 310, 4, 3772, 3501, 8, 2722, 58, 10, 10, 537, 2116, 180, 40, 14, 413, 173, 7, 263, 112, 37, 152, 377, 4, 537, 263, 846, 579, 178, 54, 75, 71, 476, 36, 413, 263, 2504, 182, 5, 17, 75, 2306, 922, 36, 279, 131, 2895, 17, 2867, 42, 17, 35, 921, 2, 192, 5, 1219, 3890, 19, 2, 217, 4122, 1710, 537, 2, 1236, 5, 736, 10, 10, 61, 403, 9, 2, 40, 61, 4494, 5, 27, 4494, 159, 90, 263, 2311, 4319, 309, 8, 178, 5, 82, 4319, 4, 65, 15, 9225, 145, 143, 5122, 12, 7039, 537, 746, 537, 537, 15, 7979, 4, 2, 594, 7, 5168, 94, 9096, 3987, 2, 11, 2, 4, 538, 7, 1795, 246, 2, 9, 2, 11, 635, 14, 9, 51, 408, 12, 94, 318, 1382, 12, 47, 6, 2683, 936, 5, 6307, 2, 19, 49, 7, 4, 1885, 2, 1118, 25, 80, 126, 842, 10, 10, 2, 2, 4726, 27, 4494, 11, 1550, 3633, 159, 27, 341, 29, 2733, 19, 4185, 173, 7, 90, 2, 8, 30, 11, 4, 1784, 86, 1117, 8, 3261, 46, 11, 2, 21, 29, 9, 2841, 23, 4, 1010, 2, 793, 6, 2, 1386, 1830, 10, 10, 246, 50, 9, 6, 2750, 1944, 746, 90, 29, 2, 8, 124, 4, 882, 4, 882, 496, 27, 2, 2213, 537, 121, 127, 1219, 130, 5, 29, 494, 8, 124, 4, 882, 496, 4, 341, 7, 27, 846, 10, 10, 29, 9, 1906, 8, 97, 6, 236, 2, 1311, 8, 4, 2, 7, 31, 7, 2, 91, 2, 3987, 70, 4, 882, 30, 579, 42, 9, 12, 32, 11, 537, 10, 10, 11, 14, 65, 44, 537, 75, 2, 1775, 3353, 2, 1846, 4, 2, 7, 154, 5, 4, 518, 53, 2, 2, 7, 3211, 882, 11, 399, 38, 75, 257, 3807, 19, 2, 17, 29, 456, 4, 65, 7, 27, 205, 113, 10, 10, 2, 4, 2, 2, 9, 242, 4, 91, 1202, 2, 5, 2070, 307, 22, 7, 5168, 126, 93, 40, 2, 13, 188, 1076, 3222, 19, 4, 2, 7, 2348, 537, 23, 53, 537, 21, 82, 40, 2, 13, 2, 14, 280, 13, 219, 4, 2, 431, 758, 859, 4, 953, 1052, 2, 7, 5991, 5, 94, 40, 25, 238, 60, 2, 4, 2, 804, 2, 7, 4, 9941, 132, 8, 67, 6, 22, 15, 9, 283, 8, 5168, 14, 31, 9, 242, 955, 48, 25, 279, 2, 23, 12, 1685, 195, 25, 238, 60, 796, 2, 4, 671, 7, 2804, 5, 4, 559, 154, 888, 7, 726, 50, 26, 49, 7008, 15, 566, 30, 579, 21, 64, 2574])
 list([1, 249, 1323, 7, 61, 113, 10, 10, 13, 1637, 14, 20, 56, 33, 2401, 18, 457, 88, 13, 2626, 1400, 45, 3171, 13, 70, 79, 49, 706, 919, 13, 16, 355, 340, 355, 1696, 96, 143, 4, 22, 32, 289, 7, 61, 369, 71, 2359, 5, 13, 16, 131, 2073, 249, 114, 249, 229, 249, 20, 13, 28, 126, 110, 13, 473, 8, 569, 61, 419, 56, 429, 6, 1513, 18, 35, 534, 95, 474, 570, 5, 25, 124, 138, 88, 12, 421, 1543, 52, 725, 6397, 61, 419, 11, 13, 1571, 15, 1543, 20, 11, 4, 2, 5, 296, 12, 3524, 5, 15, 421, 128, 74, 233, 334, 207, 126, 224, 12, 562, 298, 2167, 1272, 7, 2601, 5, 516, 988, 43, 8, 79, 120, 15, 595, 13, 784, 25, 3171, 18, 165, 170, 143, 19, 14, 5, 7224, 6, 226, 251, 7, 61, 113])]

In [ ]:

max_len = 200
X_train = pad_sequences(X_train, maxlen = max_len)
X_test = pad_sequences(X_test, maxlen = max_len)

print('X_train의 크기(shape) :',X_train.shape)
print('X_test의 크기(shape) :',X_test.shape)

print(y_train[:5])

X_train의 크기(shape) : (25000, 200)
X_test의 크기(shape) : (25000, 200)
[1 0 0 1 0]

In [ ]:

from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Embedding, Dropout, Conv1D, GlobalMaxPooling1D, Dense
from tensorflow.keras.callbacks import EarlyStopping, ModelCheckpoint
from tensorflow.keras.models import load_model

embedding_dim = 256
batch_size = 256

model = Sequential()
model.add(Embedding(vocab_size, 256))
model.add(Dropout(0.3))
model.add(Conv1D(256, 3, padding='valid', activation='relu'))
model.add(GlobalMaxPooling1D())
model.add(Dense(128, activation='relu'))
model.add(Dropout(0.5))
model.add(Dense(1, activation='sigmoid'))

In [ ]:

es = EarlyStopping(monitor = 'val_loss', mode = 'min', verbose = 1, patience = 3)
mc = ModelCheckpoint('best_model.h5', monitor = 'val_acc', mode = 'max', verbose = 1, save_best_only = True)

model.compile(optimizer='adam', loss = 'binary_crossentropy', metrics = ['acc'])
history = model.fit(X_train, y_train, epochs = 20, validation_data = (X_test, y_test), callbacks=[es, mc])

In [ ]:

loaded_model = load_model('best_model.h5')
print("\n 테스트 정확도: %.4f" % (loaded_model.evaluate(X_test, y_test)[1]))

782/782 [==============================] - 38s 48ms/step - loss: 0.2827 - acc: 0.8812

 테스트 정확도: 0.8812

3) 1D CNN으로 스팸 메일 분류하기¶

In [ ]:

import urllib.request
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from tensorflow.keras.preprocessing.text import Tokenizer
from tensorflow.keras.preprocessing.sequence import pad_sequences

urllib.request.urlretrieve("https://raw.githubusercontent.com/mohitgupta-omg/Kaggle-SMS-Spam-Collection-Dataset-/master/spam.csv", filename="spam.csv")
data = pd.read_csv('spam.csv', encoding='latin-1')

print('총 샘플의 수 :',len(data))
data[:5]

총 샘플의 수 : 5572

Out[ ]:

	v1	v2	Unnamed: 2	Unnamed: 3	Unnamed: 4
0	ham	Go until jurong point, crazy.. Available only ...	NaN	NaN	NaN
1	ham	Ok lar... Joking wif u oni...	NaN	NaN	NaN
2	spam	Free entry in 2 a wkly comp to win FA Cup fina...	NaN	NaN	NaN
3	ham	U dun say so early hor... U c already then say...	NaN	NaN	NaN
4	ham	Nah I don't think he goes to usf, he lives aro...	NaN	NaN	NaN

In [ ]:

del data['Unnamed: 2']
del data['Unnamed: 3']
del data['Unnamed: 4']
data['v1'] = data['v1'].replace(['ham','spam'],[0,1])
data['v2'].nunique(), data['v1'].nunique()
data.drop_duplicates(subset=['v2'], inplace=True) # v2 열에서 중복인 내용이 있다면 중복 제거
print('총 샘플의 수 :',len(data))

총 샘플의 수 : 5169

In [ ]:

data['v1'].value_counts().plot(kind='bar');
print(data.groupby('v1').size().reset_index(name='count'))

   v1  count
0   0   4516
1   1    653

In [ ]:

X_data = data['v2']
y_data = data['v1']
print('메일 본문의 개수: {}'.format(len(X_data)))
print('레이블의 개수: {}'.format(len(y_data)))

메일 본문의 개수: 5169
레이블의 개수: 5169

In [ ]:

# 정수인코딩
vocab_size = 1000
tokenizer = Tokenizer(num_words = vocab_size)
tokenizer.fit_on_texts(X_data) # 5169개의 행을 가진 X의 각 행에 토큰화를 수행
sequences = tokenizer.texts_to_sequences(X_data) # 단어를 숫자값, 인덱스로 변환하여 저장

In [ ]:

print(sequences[:5])

[[47, 433, 780, 705, 662, 64, 8, 94, 121, 434, 142, 68, 57, 137], [49, 306, 435, 6], [53, 537, 8, 20, 4, 934, 2, 220, 706, 267, 70, 2, 2, 359, 537, 604, 82, 436, 185, 707, 437], [6, 226, 152, 23, 347, 6, 138, 145, 56, 152], [935, 1, 97, 96, 69, 453, 2, 877, 69, 198, 105, 438]]

In [ ]:

n_of_train = int(len(sequences) * 0.8)
n_of_test = int(len(sequences) - n_of_train)
print('훈련 데이터의 개수 :',n_of_train)
print('테스트 데이터의 개수:',n_of_test)

훈련 데이터의 개수 : 4135
테스트 데이터의 개수: 1034

In [ ]:

X_data = sequences
print('메일의 최대 길이 : %d' % max(len(l) for l in X_data))
print('메일의 평균 길이 : %f' % (sum(map(len, X_data))/len(X_data)))
plt.hist([len(s) for s in X_data], bins=50)
plt.xlabel('length of samples')
plt.ylabel('number of samples')
plt.show()

메일의 최대 길이 : 172
메일의 평균 길이 : 12.566841

In [ ]:

# 전체 데이터셋의 길이는 max_len으로 맞춥니다.
max_len = 172
data = pad_sequences(X_data, maxlen = max_len)
print("훈련 데이터의 크기(shape): ", data.shape)

훈련 데이터의 크기(shape):  (5169, 172)

In [ ]:

X_test = data[n_of_train:] #X_data 데이터 중에서 뒤의 1034개의 데이터만 저장
y_test = np.array(y_data[n_of_train:]) #y_data 데이터 중에서 뒤의 1034개의 데이터만 저장
X_train = data[:n_of_train] #X_data 데이터 중에서 앞의 4135개의 데이터만 저장
y_train = np.array(y_data[:n_of_train]) #y_data 데이터 중에서 앞의 4135개의 데이터만 저장
print("훈련용 이메일 데이터의 크기(shape): ", X_train.shape)
print("테스트용 이메일 데이터의 크기(shape): ", X_test.shape)
print("훈련용 레이블의 크기(shape): ", y_train.shape)
print("테스트용 레이블의 크기(shape): ", y_test.shape)

훈련용 이메일 데이터의 크기(shape):  (4135, 172)
테스트용 이메일 데이터의 크기(shape):  (1034, 172)
훈련용 레이블의 크기(shape):  (4135,)
테스트용 레이블의 크기(shape):  (1034,)

In [ ]:

from tensorflow.keras.layers import Dense, Conv1D, GlobalMaxPooling1D, Embedding, Dropout, MaxPooling1D
from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.callbacks import EarlyStopping, ModelCheckpoint

model = Sequential()
model.add(Embedding(vocab_size, 32))
model.add(Dropout(0.2))
model.add(Conv1D(32, 5, strides=1, padding='valid', activation='relu'))
model.add(GlobalMaxPooling1D())
model.add(Dense(64, activation='relu'))
model.add(Dropout(0.2))
model.add(Dense(1, activation='sigmoid'))
model.summary()
model.compile(optimizer='adam', loss='binary_crossentropy', metrics=['acc'])

es = EarlyStopping(monitor = 'val_loss', mode = 'min', verbose = 1, patience = 3)
mc = ModelCheckpoint('best_model.h5', monitor = 'val_acc', mode = 'max', verbose = 1, save_best_only = True)

history = model.fit(X_train, y_train, epochs = 10, batch_size=64, validation_split=0.2, callbacks=[es, mc])

Model: "sequential_1"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
embedding_1 (Embedding)      (None, None, 32)          32000     
_________________________________________________________________
dropout_2 (Dropout)          (None, None, 32)          0         
_________________________________________________________________
conv1d_1 (Conv1D)            (None, None, 32)          5152      
_________________________________________________________________
global_max_pooling1d_1 (Glob (None, 32)                0         
_________________________________________________________________
dense_2 (Dense)              (None, 64)                2112      
_________________________________________________________________
dropout_3 (Dropout)          (None, 64)                0         
_________________________________________________________________
dense_3 (Dense)              (None, 1)                 65        
=================================================================
Total params: 39,329
Trainable params: 39,329
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________
Epoch 1/10
50/52 [===========================>..] - ETA: 0s - loss: 0.4634 - acc: 0.8697
Epoch 00001: val_acc improved from -inf to 0.87304, saving model to best_model.h5
52/52 [==============================] - 1s 27ms/step - loss: 0.4612 - acc: 0.8694 - val_loss: 0.3812 - val_acc: 0.8730
Epoch 2/10
51/52 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.3565 - acc: 0.8689
Epoch 00002: val_acc did not improve from 0.87304
52/52 [==============================] - 1s 25ms/step - loss: 0.3542 - acc: 0.8697 - val_loss: 0.2762 - val_acc: 0.8730
Epoch 3/10
51/52 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.1499 - acc: 0.9406
Epoch 00003: val_acc improved from 0.87304 to 0.98549, saving model to best_model.h5
52/52 [==============================] - 1s 26ms/step - loss: 0.1496 - acc: 0.9407 - val_loss: 0.0781 - val_acc: 0.9855
Epoch 4/10
51/52 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.0528 - acc: 0.9881
Epoch 00004: val_acc did not improve from 0.98549
52/52 [==============================] - 1s 25ms/step - loss: 0.0530 - acc: 0.9876 - val_loss: 0.0559 - val_acc: 0.9843
Epoch 5/10
51/52 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.0346 - acc: 0.9911
Epoch 00005: val_acc did not improve from 0.98549
52/52 [==============================] - 1s 25ms/step - loss: 0.0344 - acc: 0.9912 - val_loss: 0.0529 - val_acc: 0.9807
Epoch 6/10
50/52 [===========================>..] - ETA: 0s - loss: 0.0218 - acc: 0.9928
Epoch 00006: val_acc did not improve from 0.98549
52/52 [==============================] - 1s 26ms/step - loss: 0.0213 - acc: 0.9930 - val_loss: 0.0516 - val_acc: 0.9807
Epoch 7/10
51/52 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.0139 - acc: 0.9969
Epoch 00007: val_acc did not improve from 0.98549
52/52 [==============================] - 1s 26ms/step - loss: 0.0138 - acc: 0.9970 - val_loss: 0.0530 - val_acc: 0.9807
Epoch 8/10
51/52 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.0092 - acc: 0.9982
Epoch 00008: val_acc did not improve from 0.98549
52/52 [==============================] - 1s 26ms/step - loss: 0.0091 - acc: 0.9982 - val_loss: 0.0533 - val_acc: 0.9807
Epoch 9/10
51/52 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.0081 - acc: 0.9982
Epoch 00009: val_acc did not improve from 0.98549
52/52 [==============================] - 1s 27ms/step - loss: 0.0080 - acc: 0.9982 - val_loss: 0.0542 - val_acc: 0.9807
Epoch 00009: early stopping

In [ ]:

print("\n 테스트 정확도: %.4f" % (model.evaluate(X_test, y_test)[1]))

33/33 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0706 - acc: 0.9787

 테스트 정확도: 0.9787

4) Multi-Kernel 1D CNN으로 네이버 영화 리뷰 분류¶

In [ ]:

from tensorflow.keras.models import Sequential, Model
from tensorflow.keras.layers import Embedding, Dropout, Conv1D, GlobalMaxPooling1D, Dense, Input, Flatten, Concatenate
from tensorflow.keras.callbacks import EarlyStopping, ModelCheckpoint
from tensorflow.keras.models import load_model

# 하이퍼 파라미터 정의
embedding_dim = 128
dropout_prob = (0.5, 0.8)
num_filters = 128

# 입력층과 임베딩 층 정의 -> 50% 드롭아웃
model_input = Input(shape = (max_len,))
z = Embedding(vocab_size, embedding_dim, input_length = max_len, name="embedding")(model_input)
z = Dropout(dropout_prob[0])(z)

# maxpooling
conv_blocks = []

for sz in [3, 4, 5]:
    conv = Conv1D(filters = num_filters,
                         kernel_size = sz,
                         padding = "valid",
                         activation = "relu",
                         strides = 1)(z)
    conv = GlobalMaxPooling1D()(conv)
    conv = Flatten()(conv)
    conv_blocks.append(conv)

# dense layer로 연결
z = Concatenate()(conv_blocks) if len(conv_blocks) > 1 else conv_blocks[0]
z = Dropout(dropout_prob[1])(z)
z = Dense(128, activation="relu")(z)
model_output = Dense(1, activation="sigmoid")(z)

model = Model(model_input, model_output)
model.compile(loss="binary_crossentropy", optimizer="adam", metrics=["acc"])

# 이진분류 시행
es = EarlyStopping(monitor='val_loss', mode='min', verbose=1, patience=4)
mc = ModelCheckpoint('CNN_model.h5', monitor='val_acc', mode='max', verbose=1, save_best_only=True)

model.fit(X_train, y_train, batch_size = 64, epochs=10, validation_data = (X_test, y_test), verbose=2, callbacks=[es, mc])

In [ ]:

# 모델 로드, 테스트
loaded_model = load_model('CNN_model.h5')
print("\n 테스트 정확도: %.4f" % (loaded_model.evaluate(X_test, y_test)[1]))

33/33 [==============================] - 1s 39ms/step - loss: 0.3654 - acc: 0.8868

 테스트 정확도: 0.8868

In [ ]:

from konlpy.tag import *
okt = Okt()

In [ ]:

import nltk
nltk.download('stopwords')

[nltk_data] Downloading package stopwords to /root/nltk_data...
[nltk_data]   Unzipping corpora/stopwords.zip.

Out[ ]:

True

In [ ]:

def sentiment_predict(new_sentence):
  new_sentence = okt.morphs(new_sentence, stem=True) # 토큰화
  new_sentence = [word for word in new_sentence if not word in stopwords.words('english')] # 불용어 제거
  encoded = tokenizer.texts_to_sequences([new_sentence]) # 정수 인코딩
  pad_new = pad_sequences(encoded, maxlen = max_len) # 패딩
  score = float(model.predict(pad_new)) # 예측
  if(score > 0.5):
    print("{:.2f}% 확률로 긍정 리뷰입니다.\n".format(score * 100))
  else:
    print("{:.2f}% 확률로 부정 리뷰입니다.\n".format((1 - score) * 100))

sentiment_predict('이 영화 개꿀잼 ㅋㅋㅋ')

86.70% 확률로 부정 리뷰입니다.

5) 사전 훈련된 워드 임베딩을 이용한 의도 분류¶

Intent Classification은 개체명인식과 챗봇의 중요 모듈로서 사용된다.

In [ ]:

import os
import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline

from sklearn import preprocessing
from tensorflow.keras.preprocessing.text import Tokenizer
from tensorflow.keras.preprocessing.sequence import pad_sequences
from tensorflow.keras.utils import to_categorical
from sklearn.metrics import classification_report
import urllib.request

urllib.request.urlretrieve("https://github.com/ajinkyaT/CNN_Intent_Classification/raw/master/data/train_text.npy", filename="train_text.npy")
urllib.request.urlretrieve("https://github.com/ajinkyaT/CNN_Intent_Classification/raw/master/data/test_text.npy", filename="test_text.npy")
urllib.request.urlretrieve("https://github.com/ajinkyaT/CNN_Intent_Classification/raw/master/data/train_label.npy", filename="train_label.npy")
urllib.request.urlretrieve("https://github.com/ajinkyaT/CNN_Intent_Classification/raw/master/data/test_label.npy", filename="test_label.npy")

Out[ ]:

('test_label.npy', <http.client.HTTPMessage at 0x7f604dd1d6a0>)

In [ ]:

old = np.load
np.load = lambda *a,**k: old(*a,allow_pickle=True,**k)

intent_train = np.load(open('train_text.npy', 'rb')).tolist()
label_train = np.load(open('train_label.npy', 'rb')).tolist()
intent_test = np.load(open('test_text.npy', 'rb')).tolist()
label_test = np.load(open('test_label.npy', 'rb')).tolist()

print('훈련용 문장의 수 :', len(intent_train))
print('훈련용 레이블의 수 :', len(label_train))
print('테스트용 문장의 수 :', len(intent_test))
print('테스트용 레이블의 수 :', len(label_test))

훈련용 문장의 수 : 11784
훈련용 레이블의 수 : 11784
테스트용 문장의 수 : 600
테스트용 레이블의 수 : 600

In [ ]:

print(intent_train[:5])
print(label_train[:5])

print(intent_train[2000:2002])
print(label_train[2000:2002])

print(intent_train[4000:4002])
print(label_train[4000:4002])

print(intent_train[6000:6002])
print(label_train[6000:6002])

print(intent_train[8000:8002])
print(label_train[8000:8002])

print(intent_train[10000:10002])
print(label_train[10000:10002])

['add another song to the cita rom ntica playlist', 'add clem burke in my playlist pre party r b jams', 'add live from aragon ballroom to trapeo', 'add unite and win to my night out', 'add track to my digster future hits']
['AddToPlaylist', 'AddToPlaylist', 'AddToPlaylist', 'AddToPlaylist', 'AddToPlaylist']
['please book reservations for 3 people at a restaurant in alderwood manor', 'book a table in mt for 3 for now at a pub that serves south indian']
['BookRestaurant', 'BookRestaurant']
['what will the weather be like on feb 8 , 2034 in cedar mountain wilderness', "tell me the forecast in the same area here on robert e lee 's birthday"]
['GetWeather', 'GetWeather']
['rate the current album one points', 'i give a zero rating for this essay']
['RateBook', 'RateBook']
["i'm trying to find the show chant ii", 'find spirit of the bush']
['SearchCreativeWork', 'SearchCreativeWork']
['when is blood and ice cream trilogie playing at the nearest movie theatre \\?', 'show movie schedules']
['SearchScreeningEvent', 'SearchScreeningEvent']

In [ ]:

temp = pd.Series(label_train)
temp.value_counts().plot(kind = 'bar')

Out[ ]:

<matplotlib.axes._subplots.AxesSubplot at 0x7f604dd94278>

In [ ]:

# 레이블 인코딩. 레이블에 고유한 정수를 부여
idx_encode = preprocessing.LabelEncoder()
idx_encode.fit(label_train)

label_train = idx_encode.transform(label_train) # 주어진 고유한 정수로 변환
label_test = idx_encode.transform(label_test) # 고유한 정수로 변환

label_idx = dict(zip(list(idx_encode.classes_), idx_encode.transform(list(idx_encode.classes_))))
print(label_idx)

{'AddToPlaylist': 0, 'BookRestaurant': 1, 'GetWeather': 2, 'RateBook': 3, 'SearchCreativeWork': 4, 'SearchScreeningEvent': 5}

In [ ]:

print(intent_train[:5])
print(label_train[:5])

print(intent_test[:5])
print(label_test[:5])

['add another song to the cita rom ntica playlist', 'add clem burke in my playlist pre party r b jams', 'add live from aragon ballroom to trapeo', 'add unite and win to my night out', 'add track to my digster future hits']
[0 0 0 0 0]
["i 'd like to have this track onto my classical relaxations playlist", 'add the album to my flow espa ol playlist', 'add digging now to my young at heart playlist', 'add this song by too poetic to my piano ballads playlist', 'add this album to old school death metal']
[0 0 0 0 0]

In [ ]:

tokenizer = Tokenizer()
tokenizer.fit_on_texts(intent_train)
sequences = tokenizer.texts_to_sequences(intent_train)
sequences[:5] # 상위 5개 샘플 출력

Out[ ]:

[[11, 191, 61, 4, 1, 4013, 1141, 1572, 15],
 [11, 2624, 1573, 3, 14, 15, 939, 82, 256, 188, 548],
 [11, 187, 42, 2625, 4014, 4, 1968],
 [11, 2626, 22, 2627, 4, 14, 192, 27],
 [11, 92, 4, 14, 651, 520, 195]]

In [ ]:

word_index = tokenizer.word_index
vocab_size = len(word_index) + 1
print('단어 집합(Vocabulary)의 크기 :',vocab_size)

단어 집합(Vocabulary)의 크기 : 9870

In [ ]:

print('문장의 최대 길이 :',max(len(l) for l in sequences))
print('문장의 평균 길이 :',sum(map(len, sequences))/len(sequences))
plt.hist([len(s) for s in sequences], bins=50)
plt.xlabel('length of samples')
plt.ylabel('number of samples')
plt.show()

문장의 최대 길이 : 35
문장의 평균 길이 : 9.364392396469789

In [ ]:

max_len = 35
intent_train = pad_sequences(sequences, maxlen = max_len)
label_train = to_categorical(np.asarray(label_train))
print('전체 데이터의 크기(shape):', intent_train.shape)
print('레이블 데이터의 크기(shape):', label_train.shape)

전체 데이터의 크기(shape): (11784, 35)
레이블 데이터의 크기(shape): (11784, 6)

In [ ]:

print(intent_train[0])
print(label_train[0])

[   0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0
    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0   11  191
   61    4    1 4013 1141 1572   15]
[1. 0. 0. 0. 0. 0.]

In [ ]:

indices = np.arange(intent_train.shape[0])
np.random.shuffle(indices)
print(indices)

intent_train = intent_train[indices]
label_train = label_train[indices]

n_of_val = int(0.1 * intent_train.shape[0])
print(n_of_val)

[3107  310 9113 ... 9998 3835 4179]
1178

In [ ]:

X_train = intent_train[:-n_of_val]
y_train = label_train[:-n_of_val]
X_val = intent_train[-n_of_val:]
y_val = label_train[-n_of_val:]
X_test = intent_test
y_test = label_test

print('훈련 데이터의 크기(shape):', X_train.shape)
print('검증 데이터의 크기(shape):', X_val.shape)
print('훈련 데이터 레이블의 개수(shape):', y_train.shape)
print('검증 데이터 레이블의 개수(shape):', y_val.shape)
print('테스트 데이터의 개수 :', len(X_test))
print('테스트 데이터 레이블의 개수 :', len(y_test))

훈련 데이터의 크기(shape): (10606, 35)
검증 데이터의 크기(shape): (1178, 35)
훈련 데이터 레이블의 개수(shape): (10606, 6)
검증 데이터 레이블의 개수(shape): (1178, 6)
테스트 데이터의 개수 : 600
테스트 데이터 레이블의 개수 : 600

In [ ]:

!wget http://nlp.stanford.edu/data/glove.6B.zip
!unzip glove*.zip

--2020-08-23 15:11:00--  http://nlp.stanford.edu/data/glove.6B.zip
Resolving nlp.stanford.edu (nlp.stanford.edu)... 171.64.67.140
Connecting to nlp.stanford.edu (nlp.stanford.edu)|171.64.67.140|:80... connected.
HTTP request sent, awaiting response... 302 Found
Location: https://nlp.stanford.edu/data/glove.6B.zip [following]
--2020-08-23 15:11:00--  https://nlp.stanford.edu/data/glove.6B.zip
Connecting to nlp.stanford.edu (nlp.stanford.edu)|171.64.67.140|:443... connected.
HTTP request sent, awaiting response... 301 Moved Permanently
Location: http://downloads.cs.stanford.edu/nlp/data/glove.6B.zip [following]
--2020-08-23 15:11:01--  http://downloads.cs.stanford.edu/nlp/data/glove.6B.zip
Resolving downloads.cs.stanford.edu (downloads.cs.stanford.edu)... 171.64.64.22
Connecting to downloads.cs.stanford.edu (downloads.cs.stanford.edu)|171.64.64.22|:80... connected.
HTTP request sent, awaiting response... 200 OK
Length: 862182613 (822M) [application/zip]
Saving to: ‘glove.6B.zip’

glove.6B.zip        100%[===================>] 822.24M  2.09MB/s    in 6m 28s  

2020-08-23 15:17:29 (2.12 MB/s) - ‘glove.6B.zip’ saved [862182613/862182613]

Archive:  glove.6B.zip
  inflating: glove.6B.50d.txt        
  inflating: glove.6B.100d.txt       
  inflating: glove.6B.200d.txt       
  inflating: glove.6B.300d.txt

In [ ]:

embedding_dict = dict()
f = open(os.path.join('glove.6B.100d.txt'), encoding='utf-8')
for line in f:
    word_vector = line.split()
    word = word_vector[0]
    word_vector_arr = np.asarray(word_vector[1:], dtype='float32') # 100개의 값을 가지는 array로 변환
    embedding_dict[word] = word_vector_arr
f.close()

print('%s개의 Embedding vector가 있습니다.' % len(embedding_dict))

400000개의 Embedding vector가 있습니다.

In [ ]:

print(embedding_dict['respectable'])
print(len(embedding_dict['respectable']))

[-0.049773   0.19903    0.10585    0.1391    -0.32395    0.44053
  0.3947    -0.22805   -0.25793    0.49768    0.15384   -0.08831
  0.0782    -0.8299    -0.037788   0.16772   -0.45197   -0.17085
  0.74756    0.98256    0.81872    0.28507    0.16178   -0.48626
 -0.006265  -0.92469   -0.30625   -0.067318  -0.046762  -0.76291
 -0.0025264 -0.018795   0.12882   -0.52457    0.3586     0.43119
 -0.89477   -0.057421  -0.53724    0.25587    0.55195    0.44698
 -0.24252    0.29946    0.25776   -0.8717     0.68426   -0.05688
 -0.1848    -0.59352   -0.11227   -0.57692   -0.013593   0.18488
 -0.32507   -0.90171    0.17672    0.075601   0.54896   -0.21488
 -0.54018   -0.45882   -0.79536    0.26331    0.18879   -0.16363
  0.3975     0.1099     0.1164    -0.083499   0.50159    0.35802
  0.25677    0.088546   0.42108    0.28674   -0.71285   -0.82915
  0.15297   -0.82712    0.022112   1.067     -0.31776    0.1211
 -0.069755  -0.61327    0.27308   -0.42638   -0.085084  -0.17694
 -0.0090944  0.1109     0.62543   -0.23682   -0.44928   -0.3667
 -0.21616   -0.19187   -0.032502   0.38025  ]
100

In [ ]:

embedding_dim = 100
embedding_matrix = np.zeros((vocab_size, embedding_dim))
np.shape(embedding_matrix)

Out[ ]:

(9870, 100)

In [ ]:

for word, i in word_index.items():
    embedding_vector = embedding_dict.get(word)
    if embedding_vector is not None:
        embedding_matrix[i] = embedding_vector

In [ ]:

from tensorflow.keras.models import Model
from tensorflow.keras.layers import Embedding, Dropout, Conv1D, GlobalMaxPooling1D, Dense, Input, Flatten, Concatenate

In [ ]:

filter_sizes = [2,3,5]
num_filters = 512
drop = 0.5

In [ ]:

model_input = Input(shape = (max_len,))
z = Embedding(vocab_size, embedding_dim, weights=[embedding_matrix],
                      input_length=max_len, trainable=False)(model_input)

conv_blocks = []

for sz in filter_sizes:
    conv = Conv1D(filters = num_filters,
                         kernel_size = sz,
                         padding = "valid",
                         activation = "relu",
                         strides = 1)(z)
    conv = GlobalMaxPooling1D()(conv)
    conv = Flatten()(conv)
    conv_blocks.append(conv)

z = Concatenate()(conv_blocks) if len(conv_blocks) > 1 else conv_blocks[0]
z = Dropout(drop)(z)
model_output = Dense(len(label_idx), activation='softmax')(z)

model = Model(model_input, model_output)

model.compile(loss='categorical_crossentropy',
              optimizer='adam',
              metrics=['acc'])

model.summary()

Model: "functional_3"
__________________________________________________________________________________________________
Layer (type)                    Output Shape         Param #     Connected to                     
==================================================================================================
input_2 (InputLayer)            [(None, 35)]         0                                            
__________________________________________________________________________________________________
embedding_2 (Embedding)         (None, 35, 100)      987000      input_2[0][0]                    
__________________________________________________________________________________________________
conv1d_5 (Conv1D)               (None, 34, 512)      102912      embedding_2[0][0]                
__________________________________________________________________________________________________
conv1d_6 (Conv1D)               (None, 33, 512)      154112      embedding_2[0][0]                
__________________________________________________________________________________________________
conv1d_7 (Conv1D)               (None, 31, 512)      256512      embedding_2[0][0]                
__________________________________________________________________________________________________
global_max_pooling1d_5 (GlobalM (None, 512)          0           conv1d_5[0][0]                   
__________________________________________________________________________________________________
global_max_pooling1d_6 (GlobalM (None, 512)          0           conv1d_6[0][0]                   
__________________________________________________________________________________________________
global_max_pooling1d_7 (GlobalM (None, 512)          0           conv1d_7[0][0]                   
__________________________________________________________________________________________________
flatten_3 (Flatten)             (None, 512)          0           global_max_pooling1d_5[0][0]     
__________________________________________________________________________________________________
flatten_4 (Flatten)             (None, 512)          0           global_max_pooling1d_6[0][0]     
__________________________________________________________________________________________________
flatten_5 (Flatten)             (None, 512)          0           global_max_pooling1d_7[0][0]     
__________________________________________________________________________________________________
concatenate_1 (Concatenate)     (None, 1536)         0           flatten_3[0][0]                  
                                                                 flatten_4[0][0]                  
                                                                 flatten_5[0][0]                  
__________________________________________________________________________________________________
dropout_6 (Dropout)             (None, 1536)         0           concatenate_1[0][0]              
__________________________________________________________________________________________________
dense_6 (Dense)                 (None, 6)            9222        dropout_6[0][0]                  
==================================================================================================
Total params: 1,509,758
Trainable params: 522,758
Non-trainable params: 987,000
__________________________________________________________________________________________________

In [ ]:

history = model.fit(X_train, y_train,
          batch_size=64,
          epochs=10,
          validation_data = (X_val, y_val))

In [ ]:

epochs = range(1, len(history.history['acc']) + 1)
plt.plot(epochs, history.history['acc'])
plt.plot(epochs, history.history['val_acc'])
plt.title('model accuracy')
plt.ylabel('accuracy')
plt.xlabel('epochs')
plt.legend(['train', 'test'], loc='lower right')
plt.show()

epochs = range(1, len(history.history['loss']) + 1)
plt.plot(epochs, history.history['loss'])
plt.plot(epochs, history.history['val_loss'])
plt.title('model loss')
plt.ylabel('loss')
plt.xlabel('epochs')
plt.legend(['train', 'test'], loc='upper right')
plt.show()

In [ ]:

X_test = tokenizer.texts_to_sequences(X_test)
X_test = pad_sequences(X_test, maxlen=max_len)
y_predicted = model.predict(X_test)
y_predicted = y_predicted.argmax(axis=-1) # 예측된 정수 시퀀스로 변환
y_predicted = idx_encode.inverse_transform(y_predicted) # 정수 시퀀스를 레이블에 해당하는 텍스트 시퀀스로 변환
y_test = idx_encode.inverse_transform(y_test) # 정수 시퀀스를 레이블에 해당하는 텍스트 시퀀스로 변환

print('accuracy: ', sum(y_predicted == y_test) / len(y_test))
print("Precision, Recall and F1-Score:\n\n", classification_report(y_test, y_predicted))

accuracy:  0.98
Precision, Recall and F1-Score:

                       precision    recall  f1-score   support

       AddToPlaylist       1.00      1.00      1.00       100
      BookRestaurant       1.00      1.00      1.00       100
          GetWeather       0.99      0.99      0.99       100
            RateBook       1.00      1.00      1.00       100
  SearchCreativeWork       0.91      1.00      0.95       100
SearchScreeningEvent       0.99      0.89      0.94       100

            accuracy                           0.98       600
           macro avg       0.98      0.98      0.98       600
        weighted avg       0.98      0.98      0.98       600

태깅작업¶

케라스를 이용한 태깅작업 개요¶

개채명 인식기
품사태거 생성
- Bidirectional RNN(many to many)작업
태깅작업은 대표적인 시퀀스 레이블링임.
- X = [x1, x2, x3, ..., xn] -> y = [y1, y2, y3, ..., yn]
양방향 LSTM
- 이전 시점의 단어 정보뿐만 아니라, 다음 시점의 단어정보도 참고하기 위함임.

개체명 인식 (Named Entity Recognition)¶

ex) "도연이는 2018년에 골드만삭스에 입사했다"

도연 - 사람  
2018년 - 시간  
골드만삭스 - 조직

In [ ]:

import nltk
nltk.download('punkt')
nltk.download('averaged_perceptron_tagger')
nltk.download('maxent_ne_chunker')
nltk.download('words')

[nltk_data] Downloading package punkt to /root/nltk_data...
[nltk_data]   Package punkt is already up-to-date!
[nltk_data] Downloading package averaged_perceptron_tagger to
[nltk_data]     /root/nltk_data...
[nltk_data]   Package averaged_perceptron_tagger is already up-to-
[nltk_data]       date!
[nltk_data] Downloading package maxent_ne_chunker to
[nltk_data]     /root/nltk_data...
[nltk_data]   Package maxent_ne_chunker is already up-to-date!
[nltk_data] Downloading package words to /root/nltk_data...
[nltk_data]   Unzipping corpora/words.zip.

Out[ ]:

True

In [ ]:

from nltk import word_tokenize, pos_tag, ne_chunk
sentence = "James is working at Disney in London"
sentence=pos_tag(word_tokenize(sentence))
print(sentence) # 토큰화와 품사 태깅을 동시 수행

[('James', 'NNP'), ('is', 'VBZ'), ('working', 'VBG'), ('at', 'IN'), ('Disney', 'NNP'), ('in', 'IN'), ('London', 'NNP')]

In [ ]:

sentence=ne_chunk(sentence)
print(sentence) # 개체명 인식

(S
  (PERSON James/NNP)
  is/VBZ
  working/VBG
  at/IN
  (ORGANIZATION Disney/NNP)
  in/IN
  (GPE London/NNP))

Named Entity Recognition using Bi-LSTM¶

BIO 표현 (Begin Inside Outside)

B와 I는 개체명을 위해 사용, O는 개체명이 아니라는 것을 의미함.

해 B
리 I
포 I
터 I
보 O
러 O
가 O
자 O

해 B-movie
리 I-movie
포 I-movie
터 I-movie
보 O
러 O
메 B-theater
가 I-theater
박 I-theater
스 I-theater
가 O
자 O

품사 정보

In [ ]:

import re
%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt
from tensorflow.keras.preprocessing.text import Tokenizer
from tensorflow.keras.preprocessing.sequence import pad_sequences
from tensorflow.keras.utils import to_categorical
from sklearn.model_selection import train_test_split
import numpy as np

In [ ]:

# 데이터 전처리
f = open('/content/train.txt', 'r')
tagged_sentences = []
sentence = []

for line in f:
    if len(line)==0 or line.startswith('-DOCSTART') or line[0]=="\n":
        if len(sentence) > 0:
            tagged_sentences.append(sentence)
            sentence = []
        continue
    splits = line.split(' ') # 공백을 기준으로 속성을 구분한다.
    splits[-1] = re.sub(r'\n', '', splits[-1]) # 줄바꿈 표시 \n을 제거한다.
    word = splits[0].lower() # 단어들은 소문자로 바꿔서 저장한다.
    sentence.append([word, splits[-1]]) # 단어와 개체명 태깅만 기록한다.

print("전체 샘플 개수: ", len(tagged_sentences)) # 전체 샘플의 개수 출력
print(tagged_sentences[0]) # 첫번째 샘플 출력

전체 샘플 개수:  8415
[['eu', 'B-ORG'], ['rejects', 'O'], ['german', 'B-MISC'], ['call', 'O'], ['to', 'O'], ['boycott', 'O'], ['british', 'B-MISC'], ['lamb', 'O'], ['.', 'O']]

In [ ]:

sentences, ner_tags = [], [] 
for tagged_sentence in tagged_sentences: # 14,041개의 문장 샘플을 1개씩 불러온다.
    sentence, tag_info = zip(*tagged_sentence) # 각 샘플에서 단어들은 sentence에 개체명 태깅 정보들은 tag_info에 저장.
    sentences.append(list(sentence)) # 각 샘플에서 단어 정보만 저장한다.
    ner_tags.append(list(tag_info)) # 각 샘플에서 개체명 태깅 정보만 저장한다.

# 첫번째 문장 샘플 출력
print(sentences[0])
print(ner_tags[0])

# 열세번째 문장 샘플 출력
print(sentences[12])
print(ner_tags[12])

['eu', 'rejects', 'german', 'call', 'to', 'boycott', 'british', 'lamb', '.']
['B-ORG', 'O', 'B-MISC', 'O', 'O', 'O', 'B-MISC', 'O', 'O']
['only', 'france', 'and', 'britain', 'backed', 'fischler', "'s", 'proposal', '.']
['O', 'B-LOC', 'O', 'B-LOC', 'O', 'B-PER', 'O', 'O', 'O']

In [ ]:

print('샘플의 최대 길이 : %d' % max(len(l) for l in sentences))
print('샘플의 평균 길이 : %f' % (sum(map(len, sentences))/len(sentences)))
plt.hist([len(s) for s in sentences], bins=50)
plt.xlabel('length of samples')
plt.ylabel('number of samples')
plt.show()

샘플의 최대 길이 : 60
샘플의 평균 길이 : 13.444801

In [ ]:

max_words = 4000
src_tokenizer = Tokenizer(num_words=max_words, oov_token='OOV')
src_tokenizer.fit_on_texts(sentences)

tar_tokenizer = Tokenizer()
tar_tokenizer.fit_on_texts(ner_tags)

vocab_size = max_words
tag_size = len(tar_tokenizer.word_index) + 1
print('단어 집합의 크기 : {}'.format(vocab_size))
print('개체명 태깅 정보 집합의 크기 : {}'.format(tag_size))

# 정수 인코딩
X_train = src_tokenizer.texts_to_sequences(sentences)
y_train = tar_tokenizer.texts_to_sequences(ner_tags)
print(X_train[0])
print(y_train[0])

단어 집합의 크기 : 4000
개체명 태깅 정보 집합의 크기 : 10
[1190, 1, 199, 814, 9, 1, 262, 3734, 3]
[3, 1, 7, 1, 1, 1, 7, 1, 1]

In [ ]:

# 디코딩 (정수->텍스트)
index_to_word = src_tokenizer.index_word
index_to_ner = tar_tokenizer.index_word

decoded = []
for index in X_train[0] : # 첫번째 샘플 안의 인덱스들에 대해서
    decoded.append(index_to_word[index]) # 다시 단어로 변환

print('기존 문장 : {}'.format(sentences[0]))
print('빈도수가 낮은 단어가 OOV 처리된 문장 : {}'.format(decoded))

기존 문장 : ['eu', 'rejects', 'german', 'call', 'to', 'boycott', 'british', 'lamb', '.']
빈도수가 낮은 단어가 OOV 처리된 문장 : ['eu', 'OOV', 'german', 'call', 'to', 'OOV', 'british', 'lamb', '.']

In [ ]:

# 패딩
max_len = 70
X_train = pad_sequences(X_train, padding='post', maxlen=max_len)
# X_train의 모든 샘플들의 길이를 맞출 때 뒤의 공간에 숫자 0으로 채움.
y_train = pad_sequences(y_train, padding='post', maxlen=max_len)
# y_train의 모든 샘플들의 길이를 맞출 때 뒤의 공간에 숫자0으로 채움.

# testset, trainset 분리
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X_train, y_train, test_size=.2, random_state=777)

# 원-핫인코딩
y_train = to_categorical(y_train, num_classes=tag_size)
y_test = to_categorical(y_test, num_classes=tag_size)

In [ ]:

print('훈련 샘플 문장의 크기 : {}'.format(X_train.shape))
print('훈련 샘플 레이블의 크기 : {}'.format(y_train.shape))
print('테스트 샘플 문장의 크기 : {}'.format(X_test.shape))
print('테스트 샘플 레이블의 크기 : {}'.format(y_test.shape))

훈련 샘플 문장의 크기 : (6732, 70)
훈련 샘플 레이블의 크기 : (6732, 70, 10)
테스트 샘플 문장의 크기 : (1683, 70)
테스트 샘플 레이블의 크기 : (1683, 70, 10)

In [ ]:

from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense, Embedding, LSTM, Bidirectional, TimeDistributed
from keras.optimizers import Adam

model = Sequential()
model.add(Embedding(input_dim=vocab_size, output_dim=128, input_length=max_len, mask_zero=True))
model.add(Bidirectional(LSTM(256, return_sequences=True))) # many-to-many이기 때문에 return_sequences=True
model.add(TimeDistributed(Dense(tag_size, activation='softmax')))

In [ ]:

model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer=Adam(0.001), metrics=['accuracy'])
model.fit(X_train, y_train, batch_size=128, epochs=8,  validation_data=(X_test, y_test))

In [ ]:

print("\n 테스트 정확도: %.4f" % (model.evaluate(X_test, y_test)[1]))

14/14 [==============================] - 5s 335ms/step - loss: 0.1408 - accuracy: 0.8274

 테스트 정확도: 0.8274

In [ ]:

i=10 # 확인하고 싶은 테스트용 샘플의 인덱스.
y_predicted = model.predict(np.array([X_test[i]])) # 입력한 테스트용 샘플에 대해서 예측 y를 리턴
y_predicted = np.argmax(y_predicted, axis=-1) # 원-핫 인코딩을 다시 정수 인코딩으로 변경함.
true = np.argmax(y_test[i], -1) # 원-핫 인코딩을 다시 정수 인코딩으로 변경함.

print("{:15}|{:5}|{}".format("단어", "실제값", "예측값"))
print(35 * "-")

for w, t, pred in zip(X_test[i], true, y_predicted[0]):
    if w != 0: # PAD값은 제외함.
        print("{:17}: {:7} {}".format(index_to_word[w], index_to_ner[t].upper(), index_to_ner[pred].upper()))

단어             |실제값  |예측값
-----------------------------------
-                : O       O
OOV              : O       O
iraq             : B-LOC   O
for              : O       O
riots            : O       O
in               : O       O
jordan           : B-LOC   O
is               : O       O
a                : O       O
OOV              : O       O
game             : O       O
.                : O       O

Bi-LSTM을 이용한 품사태깅¶

In [ ]:

nltk.download('treebank')

[nltk_data] Downloading package treebank to /root/nltk_data...
[nltk_data]   Unzipping corpora/treebank.zip.

Out[ ]:

True

In [ ]:

import nltk
import numpy as np
%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt
from tensorflow.keras.preprocessing.text import Tokenizer
from tensorflow.keras.preprocessing.sequence import pad_sequences
from tensorflow.keras.utils import to_categorical
from sklearn.model_selection import train_test_split

tagged_sentences = nltk.corpus.treebank.tagged_sents() # 토큰화에 품사 태깅이 된 데이터 받아오기
print("품사 태깅이 된 문장 개수: ", len(tagged_sentences)) # 문장 샘플의 개수 출력

품사 태깅이 된 문장 개수:  3914

In [ ]:

print(tagged_sentences[0]) # 첫번째 샘플 출력

[('Pierre', 'NNP'), ('Vinken', 'NNP'), (',', ','), ('61', 'CD'), ('years', 'NNS'), ('old', 'JJ'), (',', ','), ('will', 'MD'), ('join', 'VB'), ('the', 'DT'), ('board', 'NN'), ('as', 'IN'), ('a', 'DT'), ('nonexecutive', 'JJ'), ('director', 'NN'), ('Nov.', 'NNP'), ('29', 'CD'), ('.', '.')]

In [ ]:

sentences, pos_tags = [], [] 
for tagged_sentence in tagged_sentences: # 3,914개의 문장 샘플을 1개씩 불러온다.
    sentence, tag_info = zip(*tagged_sentence) # 각 샘플에서 단어들은 sentence에 품사 태깅 정보들은 tag_info에 저장한다.
    sentences.append(list(sentence)) # 각 샘플에서 단어 정보만 저장한다.
    pos_tags.append(list(tag_info)) # 각 샘플에서 품사 태깅 정보만 저장한다.

print(sentences[0])
print(pos_tags[0])
print(sentences[8])
print(pos_tags[8])
print('샘플의 최대 길이 : %d' % max(len(l) for l in sentences))
print('샘플의 평균 길이 : %f' % (sum(map(len, sentences))/len(sentences)))
plt.hist([len(s) for s in sentences], bins=50)
plt.xlabel('length of samples')
plt.ylabel('number of samples')
plt.show()

['Pierre', 'Vinken', ',', '61', 'years', 'old', ',', 'will', 'join', 'the', 'board', 'as', 'a', 'nonexecutive', 'director', 'Nov.', '29', '.']
['NNP', 'NNP', ',', 'CD', 'NNS', 'JJ', ',', 'MD', 'VB', 'DT', 'NN', 'IN', 'DT', 'JJ', 'NN', 'NNP', 'CD', '.']
['We', "'re", 'talking', 'about', 'years', 'ago', 'before', 'anyone', 'heard', 'of', 'asbestos', 'having', 'any', 'questionable', 'properties', '.']
['PRP', 'VBP', 'VBG', 'IN', 'NNS', 'IN', 'IN', 'NN', 'VBD', 'IN', 'NN', 'VBG', 'DT', 'JJ', 'NNS', '.']
샘플의 최대 길이 : 271
샘플의 평균 길이 : 25.722024

In [ ]:

def tokenize(samples):
  tokenizer = Tokenizer()
  tokenizer.fit_on_texts(samples)
  return tokenizer

src_tokenizer = tokenize(sentences)
tar_tokenizer = tokenize(pos_tags)

vocab_size = len(src_tokenizer.word_index) + 1
tag_size = len(tar_tokenizer.word_index) + 1
print('단어 집합의 크기 : {}'.format(vocab_size))
print('태깅 정보 집합의 크기 : {}'.format(tag_size))

X_train = src_tokenizer.texts_to_sequences(sentences)
y_train = tar_tokenizer.texts_to_sequences(pos_tags)
print(X_train[:2])
print(y_train[:2])

max_len = 150
X_train = pad_sequences(X_train, padding='post', maxlen=max_len)
# X_train의 모든 샘플의 길이를 맞출 때 뒤의 공간에 숫자 0으로 채움.
y_train = pad_sequences(y_train, padding='post', maxlen=max_len)
# y_train의 모든 샘플의 길이를 맞출 때 뒤의 공간에 숫자 0으로 채움.

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X_train, y_train, test_size=.2, random_state=777)

y_train = to_categorical(y_train, num_classes=tag_size)
y_test = to_categorical(y_test, num_classes=tag_size)

print('훈련 샘플 문장의 크기 : {}'.format(X_train.shape))
print('훈련 샘플 레이블의 크기 : {}'.format(y_train.shape))
print('테스트 샘플 문장의 크기 : {}'.format(X_test.shape))
print('테스트 샘플 레이블의 크기 : {}'.format(y_test.shape))

단어 집합의 크기 : 11388
태깅 정보 집합의 크기 : 47
[[5601, 3746, 1, 2024, 86, 331, 1, 46, 2405, 2, 131, 27, 6, 2025, 332, 459, 2026, 3], [31, 3746, 20, 177, 4, 5602, 2915, 1, 2, 2916, 637, 147, 3]]
[[3, 3, 8, 10, 6, 7, 8, 21, 13, 4, 1, 2, 4, 7, 1, 3, 10, 9], [3, 3, 17, 1, 2, 3, 3, 8, 4, 3, 19, 1, 9]]
훈련 샘플 문장의 크기 : (3131, 150)
훈련 샘플 레이블의 크기 : (3131, 150, 47)
테스트 샘플 문장의 크기 : (783, 150)
테스트 샘플 레이블의 크기 : (783, 150, 47)

In [ ]:

from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense, LSTM, InputLayer, Bidirectional, TimeDistributed, Embedding
from keras.optimizers import Adam

model = Sequential()
model.add(Embedding(vocab_size, 128, input_length=max_len, mask_zero=True))
model.add(Bidirectional(LSTM(256, return_sequences=True)))
model.add(TimeDistributed(Dense(tag_size, activation=('softmax'))))
model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer=Adam(0.001), metrics=['accuracy'])
model.fit(X_train, y_train, batch_size=128, epochs=6,  validation_data=(X_test, y_test))

Epoch 1/6
25/25 [==============================] - 72s 3s/step - loss: 0.5738 - accuracy: 0.1383 - val_loss: 0.5069 - val_accuracy: 0.1691
Epoch 2/6
25/25 [==============================] - 70s 3s/step - loss: 0.4924 - accuracy: 0.2307 - val_loss: 0.4630 - val_accuracy: 0.3586
Epoch 3/6
25/25 [==============================] - 70s 3s/step - loss: 0.4119 - accuracy: 0.4305 - val_loss: 0.3302 - val_accuracy: 0.5008
Epoch 4/6
25/25 [==============================] - 70s 3s/step - loss: 0.2624 - accuracy: 0.6022 - val_loss: 0.1979 - val_accuracy: 0.7050
Epoch 5/6
25/25 [==============================] - 70s 3s/step - loss: 0.1459 - accuracy: 0.8095 - val_loss: 0.1109 - val_accuracy: 0.8551
Epoch 6/6
25/25 [==============================] - 70s 3s/step - loss: 0.0772 - accuracy: 0.9050 - val_loss: 0.0721 - val_accuracy: 0.8940

Out[ ]:

<tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7feb5cf50f98>

In [ ]:

print("\n 테스트 정확도: %.4f" % (model.evaluate(X_test, y_test)[1]))

index_to_word=src_tokenizer.index_word
index_to_tag=tar_tokenizer.index_word

i=10 # 확인하고 싶은 테스트용 샘플의 인덱스.
y_predicted = model.predict(np.array([X_test[i]])) # 입력한 테스트용 샘플에 대해서 예측 y를 리턴
y_predicted = np.argmax(y_predicted, axis=-1) # 원-핫 인코딩을 다시 정수 인코딩으로 변경함.
true = np.argmax(y_test[i], -1) # 원-핫 인코딩을 다시 정수 인코딩으로 변경함.

print("{:15}|{:5}|{}".format("단어", "실제값", "예측값"))
print(35 * "-")

for w, t, pred in zip(X_test[i], true, y_predicted[0]):
    if w != 0: # PAD값은 제외함.
        print("{:17}: {:7} {}".format(index_to_word[w], index_to_tag[t].upper(), index_to_tag[pred].upper()))

25/25 [==============================] - 7s 299ms/step - loss: 0.0721 - accuracy: 0.8940

 테스트 정확도: 0.8940
단어             |실제값  |예측값
-----------------------------------
in               : IN      IN
addition         : NN      NN
,                : ,       ,
buick            : NNP     NNP
is               : VBZ     VBZ
a                : DT      DT
relatively       : RB      RB
respected        : VBN     VBN
nameplate        : NN      NN
among            : IN      IN
american         : NNP     NNP
express          : NNP     NNP
card             : NN      NN
holders          : NNS     NNS
,                : ,       ,
says             : VBZ     VBZ
0                : -NONE-  -NONE-
*t*-1            : -NONE-  -NONE-
an               : DT      DT
american         : NNP     NNP
express          : NNP     NNP
spokeswoman      : NN      NN
.                : .       .

서브워드 토크나이저 (Subword Tokenizer)¶

바이트 페어 인코딩 (Byte Pair Encoding, BPE)¶

기계가 모르는 단어가 등장하게 되면, 그 단어를 단어집합에 없는 단어라고 해서 OOV(Out-Of-Vocabulary, OOV)라고 표현함.
OOV 문제를 해결하기 위해, 서브워드 분리(Subword segmentation)작업을 사용
- 하나의 단어는 여러 서브워드들(birthplace = birth + place)의 조합으로 구성된 경우가 많음.
- 하나의 단어를 여러 서브워드로 분리해서 인코딩 및 임베딩하겠다는 의도.

BPE (Byte Pair Encoding)¶

1994년에 제안된 데이터 압축 알고리즘.
구글이 번역기에 사용한 알고리즘.
BERT 훈련에 사용.

aaabdaaabac
-> Z=aa
ZabdZabac
-> Y=ab
ZYdZYac
-> X=ZY
XdXac

BPE 논문

# dictionary
# 훈련 데이터에 있는 단어와 등장 빈도수
low : 5, lower : 2, newest : 6, widest : 3

위와 같은 단어:빈도수의 구성을 임의로 딕셔너리라고 했을 때,

이 딕셔너리의 단어집합은 아래와같이 구성됨.

# vocabulary
low, lower, newest, widest

여기에서 lowest라는 단어가 등장하면 OOV 문제가 발생하게 됨.

BPE를 적용하게 되면,

# dictionary
l o w : 5,  l o w e r : 2,  n e w e s t : 6,  w i d e s t : 3

# vocabulary
l, o, w, e, r, n, w, s, t, i, d

빈도수가 9로 가장 높은 (e, s)의 쌍을 es로 통합.

# dictionary update!
l o w : 5,
l o w e r : 2,
n e w es t : 6,
w i d es t : 3

# vocabulary update!
l, o, w, e, r, n, w, s, t, i, d, es

빈도수가 9로 가장 높은 (es, t)의 쌍을 est로 통합.

# dictionary update!
l o w : 5,
l o w e r : 2,
n e w est : 6,
w i d est : 3

# vocabulary update!
l, o, w, e, r, n, w, s, t, i, d, es, est

빈도수가 7로 가장 높은 (l, o)의 쌍을 lo로 통합.

# dictionary update!
lo w : 5,
lo w e r : 2,
n e w est : 6,
w i d est : 3

# vocabulary update!
l, o, w, e, r, n, w, s, t, i, d, es, est, lo

...

위와 같은 방식으로 10회 반복 후

# dictionary update!
low : 5,
low e r : 2,
newest : 6,
widest : 3

# vocabulary update!
l, o, w, e, r, n, w, s, t, i, d, es, est, lo, low, ne, new, newest, wi, wid, widest

이 경우, lowest란 단어는 OOV가 되지 않음. (low와 est가 단어집합에 있기 때문)

In [ ]:

import re, collections
from IPython.display import display, Markdown, Latex

# BPE 실행 횟수
num_merges = 10

dictionary = {'l o w </w>' : 5,
         'l o w e r </w>' : 2,
         'n e w e s t </w>':6,
         'w i d e s t </w>':3
         }

def get_stats(dictionary):
    # 유니그램의 pair들의 빈도수를 카운트
    pairs = collections.defaultdict(int)
    for word, freq in dictionary.items():
        symbols = word.split()
        for i in range(len(symbols)-1):
            pairs[symbols[i],symbols[i+1]] += freq
    print('현재 pair들의 빈도수 :', dict(pairs))
    return pairs

def merge_dictionary(pair, v_in):
    v_out = {}
    bigram = re.escape(' '.join(pair))
    p = re.compile(r'(?<!\S)' + bigram + r'(?!\S)')
    for word in v_in:
        w_out = p.sub(''.join(pair), word)
        v_out[w_out] = v_in[word]
    return v_out

bpe_codes = {}
bpe_codes_reverse = {}

for i in range(num_merges):
    display(Markdown("### Iteration {}".format(i + 1)))
    pairs = get_stats(dictionary)
    best = max(pairs, key=pairs.get)
    dictionary = merge_dictionary(best, dictionary)

    bpe_codes[best] = i
    bpe_codes_reverse[best[0] + best[1]] = best

    print("new merge: {}".format(best))
    print("dictionary: {}".format(dictionary))

Iteration 1¶

현재 pair들의 빈도수 : {('l', 'o'): 7, ('o', 'w'): 7, ('w', '</w>'): 5, ('w', 'e'): 8, ('e', 'r'): 2, ('r', '</w>'): 2, ('n', 'e'): 6, ('e', 'w'): 6, ('e', 's'): 9, ('s', 't'): 9, ('t', '</w>'): 9, ('w', 'i'): 3, ('i', 'd'): 3, ('d', 'e'): 3}
new merge: ('e', 's')
dictionary: {'l o w </w>': 5, 'l o w e r </w>': 2, 'n e w es t </w>': 6, 'w i d es t </w>': 3}

Iteration 2¶

현재 pair들의 빈도수 : {('l', 'o'): 7, ('o', 'w'): 7, ('w', '</w>'): 5, ('w', 'e'): 2, ('e', 'r'): 2, ('r', '</w>'): 2, ('n', 'e'): 6, ('e', 'w'): 6, ('w', 'es'): 6, ('es', 't'): 9, ('t', '</w>'): 9, ('w', 'i'): 3, ('i', 'd'): 3, ('d', 'es'): 3}
new merge: ('es', 't')
dictionary: {'l o w </w>': 5, 'l o w e r </w>': 2, 'n e w est </w>': 6, 'w i d est </w>': 3}

Iteration 3¶

현재 pair들의 빈도수 : {('l', 'o'): 7, ('o', 'w'): 7, ('w', '</w>'): 5, ('w', 'e'): 2, ('e', 'r'): 2, ('r', '</w>'): 2, ('n', 'e'): 6, ('e', 'w'): 6, ('w', 'est'): 6, ('est', '</w>'): 9, ('w', 'i'): 3, ('i', 'd'): 3, ('d', 'est'): 3}
new merge: ('est', '</w>')
dictionary: {'l o w </w>': 5, 'l o w e r </w>': 2, 'n e w est</w>': 6, 'w i d est</w>': 3}

Iteration 4¶

현재 pair들의 빈도수 : {('l', 'o'): 7, ('o', 'w'): 7, ('w', '</w>'): 5, ('w', 'e'): 2, ('e', 'r'): 2, ('r', '</w>'): 2, ('n', 'e'): 6, ('e', 'w'): 6, ('w', 'est</w>'): 6, ('w', 'i'): 3, ('i', 'd'): 3, ('d', 'est</w>'): 3}
new merge: ('l', 'o')
dictionary: {'lo w </w>': 5, 'lo w e r </w>': 2, 'n e w est</w>': 6, 'w i d est</w>': 3}

Iteration 5¶

현재 pair들의 빈도수 : {('lo', 'w'): 7, ('w', '</w>'): 5, ('w', 'e'): 2, ('e', 'r'): 2, ('r', '</w>'): 2, ('n', 'e'): 6, ('e', 'w'): 6, ('w', 'est</w>'): 6, ('w', 'i'): 3, ('i', 'd'): 3, ('d', 'est</w>'): 3}
new merge: ('lo', 'w')
dictionary: {'low </w>': 5, 'low e r </w>': 2, 'n e w est</w>': 6, 'w i d est</w>': 3}

Iteration 6¶

현재 pair들의 빈도수 : {('low', '</w>'): 5, ('low', 'e'): 2, ('e', 'r'): 2, ('r', '</w>'): 2, ('n', 'e'): 6, ('e', 'w'): 6, ('w', 'est</w>'): 6, ('w', 'i'): 3, ('i', 'd'): 3, ('d', 'est</w>'): 3}
new merge: ('n', 'e')
dictionary: {'low </w>': 5, 'low e r </w>': 2, 'ne w est</w>': 6, 'w i d est</w>': 3}

Iteration 7¶

현재 pair들의 빈도수 : {('low', '</w>'): 5, ('low', 'e'): 2, ('e', 'r'): 2, ('r', '</w>'): 2, ('ne', 'w'): 6, ('w', 'est</w>'): 6, ('w', 'i'): 3, ('i', 'd'): 3, ('d', 'est</w>'): 3}
new merge: ('ne', 'w')
dictionary: {'low </w>': 5, 'low e r </w>': 2, 'new est</w>': 6, 'w i d est</w>': 3}

Iteration 8¶

현재 pair들의 빈도수 : {('low', '</w>'): 5, ('low', 'e'): 2, ('e', 'r'): 2, ('r', '</w>'): 2, ('new', 'est</w>'): 6, ('w', 'i'): 3, ('i', 'd'): 3, ('d', 'est</w>'): 3}
new merge: ('new', 'est</w>')
dictionary: {'low </w>': 5, 'low e r </w>': 2, 'newest</w>': 6, 'w i d est</w>': 3}

Iteration 9¶

현재 pair들의 빈도수 : {('low', '</w>'): 5, ('low', 'e'): 2, ('e', 'r'): 2, ('r', '</w>'): 2, ('w', 'i'): 3, ('i', 'd'): 3, ('d', 'est</w>'): 3}
new merge: ('low', '</w>')
dictionary: {'low</w>': 5, 'low e r </w>': 2, 'newest</w>': 6, 'w i d est</w>': 3}

Iteration 10¶

현재 pair들의 빈도수 : {('low', 'e'): 2, ('e', 'r'): 2, ('r', '</w>'): 2, ('w', 'i'): 3, ('i', 'd'): 3, ('d', 'est</w>'): 3}
new merge: ('w', 'i')
dictionary: {'low</w>': 5, 'low e r </w>': 2, 'newest</w>': 6, 'wi d est</w>': 3}

In [ ]:

print(bpe_codes)

{('e', 's'): 0, ('es', 't'): 1, ('est', '</w>'): 2, ('l', 'o'): 3, ('lo', 'w'): 4, ('n', 'e'): 5, ('ne', 'w'): 6, ('new', 'est</w>'): 7, ('low', '</w>'): 8, ('w', 'i'): 9}

In [ ]:

def get_pairs(word):
    """Return set of symbol pairs in a word.
    Word is represented as a tuple of symbols (symbols being variable-length strings).
    """
    pairs = set()
    prev_char = word[0]
    for char in word[1:]:
        pairs.add((prev_char, char))
        prev_char = char
    return pairs


def encode(orig):
    """Encode word based on list of BPE merge operations, which are applied consecutively"""

    word = tuple(orig) + ('</w>',)
    display(Markdown("__word split into characters:__ <tt>{}</tt>".format(word)))

    pairs = get_pairs(word)    

    if not pairs:
        return orig

    iteration = 0
    while True:
        iteration += 1
        display(Markdown("__Iteration {}:__".format(iteration)))

        print("bigrams in the word: {}".format(pairs))
        bigram = min(pairs, key = lambda pair: bpe_codes.get(pair, float('inf')))
        print("candidate for merging: {}".format(bigram))
        if bigram not in bpe_codes:
            display(Markdown("__Candidate not in BPE merges, algorithm stops.__"))
            break
        first, second = bigram
        new_word = []
        i = 0
        while i < len(word):
            try:
                j = word.index(first, i)
                new_word.extend(word[i:j])
                i = j
            except:
                new_word.extend(word[i:])
                break

            if word[i] == first and i < len(word)-1 and word[i+1] == second:
                new_word.append(first+second)
                i += 2
            else:
                new_word.append(word[i])
                i += 1
        new_word = tuple(new_word)
        word = new_word
        print("word after merging: {}".format(word))
        if len(word) == 1:
            break
        else:
            pairs = get_pairs(word)

    # 특별 토큰인 </w>는 출력하지 않는다.
    if word[-1] == '</w>':
        word = word[:-1]
    elif word[-1].endswith('</w>'):
        word = word[:-1] + (word[-1].replace('</w>',''),)

    return word

In [ ]:

encode("loki")

word split into characters: ('l', 'o', 'k', 'i', '')

Iteration 1:

bigrams in the word: {('l', 'o'), ('k', 'i'), ('i', '</w>'), ('o', 'k')}
candidate for merging: ('l', 'o')
word after merging: ('lo', 'k', 'i', '</w>')

Iteration 2:

bigrams in the word: {('lo', 'k'), ('k', 'i'), ('i', '</w>')}
candidate for merging: ('lo', 'k')

Candidate not in BPE merges, algorithm stops.

Out[ ]:

('lo', 'k', 'i')

In [ ]:

encode("lowest")

word split into characters: ('l', 'o', 'w', 'e', 's', 't', '')

Iteration 1:

bigrams in the word: {('s', 't'), ('t', '</w>'), ('o', 'w'), ('w', 'e'), ('l', 'o'), ('e', 's')}
candidate for merging: ('e', 's')
word after merging: ('l', 'o', 'w', 'es', 't', '</w>')

Iteration 2:

bigrams in the word: {('t', '</w>'), ('o', 'w'), ('l', 'o'), ('es', 't'), ('w', 'es')}
candidate for merging: ('es', 't')
word after merging: ('l', 'o', 'w', 'est', '</w>')

Iteration 3:

bigrams in the word: {('l', 'o'), ('est', '</w>'), ('o', 'w'), ('w', 'est')}
candidate for merging: ('est', '</w>')
word after merging: ('l', 'o', 'w', 'est</w>')

Iteration 4:

bigrams in the word: {('w', 'est</w>'), ('l', 'o'), ('o', 'w')}
candidate for merging: ('l', 'o')
word after merging: ('lo', 'w', 'est</w>')

Iteration 5:

bigrams in the word: {('lo', 'w'), ('w', 'est</w>')}
candidate for merging: ('lo', 'w')
word after merging: ('low', 'est</w>')

Iteration 6:

bigrams in the word: {('low', 'est</w>')}
candidate for merging: ('low', 'est</w>')

Candidate not in BPE merges, algorithm stops.

Out[ ]:

('low', 'est')

In [ ]:

encode("lowing")

word split into characters: ('l', 'o', 'w', 'i', 'n', 'g', '')

Iteration 1:

bigrams in the word: {('n', 'g'), ('w', 'i'), ('i', 'n'), ('o', 'w'), ('l', 'o'), ('g', '</w>')}
candidate for merging: ('l', 'o')
word after merging: ('lo', 'w', 'i', 'n', 'g', '</w>')

Iteration 2:

bigrams in the word: {('n', 'g'), ('w', 'i'), ('i', 'n'), ('lo', 'w'), ('g', '</w>')}
candidate for merging: ('lo', 'w')
word after merging: ('low', 'i', 'n', 'g', '</w>')

Iteration 3:

bigrams in the word: {('n', 'g'), ('i', 'n'), ('g', '</w>'), ('low', 'i')}
candidate for merging: ('n', 'g')

Candidate not in BPE merges, algorithm stops.

Out[ ]:

('low', 'i', 'n', 'g')

서브워드 텍스트 인코더¶

텐서플로우에서 제공하는 서브워드 토크나이저
BPE와 유사한 알고리즘인 Wordpiece 모델 사용.

USAGE¶

import tensorflow_datasets as tfds

tokenizer = tfds.features.text.SubwordTextEncoder.build_from_corpus("DATA", "VOCAB_SIZE")

RNN을 이용한 인코더, 디코더¶

시퀀스-투-시퀀스 (Sequence to Sequence, seq2seq)¶

챗봇과 기계번역에서 대표적으로 사용

In [ ]:

import pandas as pd
import urllib3
import zipfile
import shutil
import os
from tensorflow.keras.preprocessing.sequence import pad_sequences
from tensorflow.keras.utils import to_categorical

http = urllib3.PoolManager()
url ='http://www.manythings.org/anki/fra-eng.zip'
filename = 'fra-eng.zip'
path = os.getcwd()
zipfilename = os.path.join(path, filename)
with http.request('GET', url, preload_content=False) as r, open(zipfilename, 'wb') as out_file:       
    shutil.copyfileobj(r, out_file)

with zipfile.ZipFile(zipfilename, 'r') as zip_ref:
    zip_ref.extractall(path)

lines= pd.read_csv('fra.txt', names=['src', 'tar'], sep='\t')
len(lines)

Out[ ]:

In [ ]:

lines = lines.loc[:, 'src':'tar']
lines = lines[0:60000] # 6만개만 저장
lines.sample(10)

Out[ ]:

	src	tar
Unlock the door.	Déverrouille la porte.	CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba.org #3...
I want to thank you.	Je veux te remercier.	CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba.org #2...
They formed a circle.	Ils formèrent un cercle.	CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba.org #1...
She became a nurse.	Elle devint infirmière.	CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba.org #5...
No one was alive.	Personne n'était vivant.	CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba.org #2...
What a pretty girl!	Quelle jolie fille !	CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba.org #2...
I can't stop writing.	Je ne peux pas m’arrêter d'écrire.	CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba.org #1...
I love the way you kiss.	J'adore la façon que vous avez d'embrasser.	CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba.org #2...
Did you question them?	Les avez-vous remis en question ?	CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba.org #3...
You may be needed.	On pourrait avoir besoin de toi.	CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba.org #3...

In [ ]:

lines.tar = lines.tar.apply(lambda x : '\t '+ x + ' \n') # \t: <sos> (시작심볼) \n: <eos> (종료심볼)
lines.sample(10)

Out[ ]:

	src	tar
Explain it to me.	Expliquez-le-moi.	\t \t CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba....
Come to me.	Venez à moi.	\t \t CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba....
We'll wait here.	Nous attendrons ici.	\t \t CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba....
Hey, I want to help you.	Hé, je veux vous aider.	\t \t CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba....
I rang the doorbell.	J'ai sonné à la porte.	\t \t CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba....
Tom wore a straw hat.	Tom portait un chapeau de paille.	\t \t CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba....
It was his best time.	Ça a été son meilleur temps.	\t \t CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba....
Thanks for the tea.	Merci pour le thé.	\t \t CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba....
We can live with that.	Nous pouvons vivre avec ça.	\t \t CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba....
This isn't enough.	Ça ne suffit pas.	\t \t CC-BY 2.0 (France) Attribution: tatoeba....

In [ ]:

# 글자 집합 구축
src_vocab=set()
for line in lines.src: # 1줄씩 읽음
    for char in line: # 1개의 글자씩 읽음
        src_vocab.add(char)

tar_vocab=set()
for line in lines.tar:
    for char in line:
        tar_vocab.add(char)

src_vocab_size = len(src_vocab)+1
tar_vocab_size = len(tar_vocab)+1
print(src_vocab_size)
print(tar_vocab_size)

104
74

In [ ]:

src_vocab = sorted(list(src_vocab))
tar_vocab = sorted(list(tar_vocab))
print(src_vocab[45:75])
print(tar_vocab[45:75])

src_to_index = dict([(word, i+1) for i, word in enumerate(src_vocab)])
tar_to_index = dict([(word, i+1) for i, word in enumerate(tar_vocab)])
print(src_to_index)
print(tar_to_index)

encoder_input = []
for line in lines.src: #입력 데이터에서 1줄씩 문장을 읽음
    temp_X = []
    for w in line: #각 줄에서 1개씩 글자를 읽음
      temp_X.append(src_to_index[w]) # 글자를 해당되는 정수로 변환
    encoder_input.append(temp_X)
print(encoder_input[:5])

['V', 'W', 'X', 'Y', 'Z', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h', 'i', 'j', 'k', 'l', 'm', 'n', 'o', 'p', 'q', 'r', 's', 't', 'u', 'v', 'w', 'x', 'y']
['Z', '_', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h', 'i', 'j', 'k', 'l', 'm', 'n', 'o', 'p', 'q', 'r', 's', 't', 'u', 'v', 'w', 'x', 'y', 'z']
{' ': 1, '!': 2, '"': 3, '$': 4, '%': 5, '&': 6, "'": 7, '(': 8, ')': 9, ',': 10, '-': 11, '.': 12, '0': 13, '1': 14, '2': 15, '3': 16, '4': 17, '5': 18, '6': 19, '7': 20, '8': 21, '9': 22, ':': 23, '?': 24, 'A': 25, 'B': 26, 'C': 27, 'D': 28, 'E': 29, 'F': 30, 'G': 31, 'H': 32, 'I': 33, 'J': 34, 'K': 35, 'L': 36, 'M': 37, 'N': 38, 'O': 39, 'P': 40, 'Q': 41, 'R': 42, 'S': 43, 'T': 44, 'U': 45, 'V': 46, 'W': 47, 'X': 48, 'Y': 49, 'Z': 50, 'a': 51, 'b': 52, 'c': 53, 'd': 54, 'e': 55, 'f': 56, 'g': 57, 'h': 58, 'i': 59, 'j': 60, 'k': 61, 'l': 62, 'm': 63, 'n': 64, 'o': 65, 'p': 66, 'q': 67, 'r': 68, 's': 69, 't': 70, 'u': 71, 'v': 72, 'w': 73, 'x': 74, 'y': 75, 'z': 76, '\xa0': 77, '«': 78, '»': 79, 'À': 80, 'Ç': 81, 'É': 82, 'Ê': 83, 'Ô': 84, 'à': 85, 'â': 86, 'ç': 87, 'è': 88, 'é': 89, 'ê': 90, 'ë': 91, 'î': 92, 'ï': 93, 'ô': 94, 'ù': 95, 'û': 96, 'œ': 97, 'С': 98, '\u2009': 99, '\u200b': 100, '‘': 101, '’': 102, '\u202f': 103}
{'\t': 1, '\n': 2, ' ': 3, '#': 4, '&': 5, '(': 6, ')': 7, '-': 8, '.': 9, '0': 10, '1': 11, '2': 12, '3': 13, '4': 14, '5': 15, '6': 16, '7': 17, '8': 18, '9': 19, ':': 20, 'A': 21, 'B': 22, 'C': 23, 'D': 24, 'E': 25, 'F': 26, 'G': 27, 'H': 28, 'I': 29, 'J': 30, 'K': 31, 'L': 32, 'M': 33, 'N': 34, 'O': 35, 'P': 36, 'Q': 37, 'R': 38, 'S': 39, 'T': 40, 'U': 41, 'V': 42, 'W': 43, 'X': 44, 'Y': 45, 'Z': 46, '_': 47, 'a': 48, 'b': 49, 'c': 50, 'd': 51, 'e': 52, 'f': 53, 'g': 54, 'h': 55, 'i': 56, 'j': 57, 'k': 58, 'l': 59, 'm': 60, 'n': 61, 'o': 62, 'p': 63, 'q': 64, 'r': 65, 's': 66, 't': 67, 'u': 68, 'v': 69, 'w': 70, 'x': 71, 'y': 72, 'z': 73}
[[46, 51, 1, 2], [43, 51, 62, 71, 70, 1, 2], [43, 51, 62, 71, 70, 12], [27, 65, 71, 68, 69, 103, 2], [27, 65, 71, 68, 55, 76, 103, 2]]

In [ ]:

decoder_input = []
for line in lines.tar:
    temp_X = []
    for w in line:
      temp_X.append(tar_to_index[w])
    decoder_input.append(temp_X)
print(decoder_input[:5])

# <sos> 제거
decoder_target = []
for line in lines.tar:
    t=0
    temp_X = []
    for w in line:
      if t>0:
        temp_X.append(tar_to_index[w])
      t=t+1
    decoder_target.append(temp_X)
print(decoder_target[:5])

[[1, 3, 1, 3, 23, 23, 8, 22, 45, 3, 12, 9, 10, 3, 6, 26, 65, 48, 61, 50, 52, 7, 3, 21, 67, 67, 65, 56, 49, 68, 67, 56, 62, 61, 20, 3, 67, 48, 67, 62, 52, 49, 48, 9, 62, 65, 54, 3, 4, 12, 18, 17, 17, 12, 17, 12, 3, 6, 23, 33, 7, 3, 5, 3, 4, 11, 11, 15, 18, 12, 15, 10, 3, 6, 43, 56, 67, 67, 72, 51, 52, 69, 7, 3, 2, 3, 2], [1, 3, 1, 3, 23, 23, 8, 22, 45, 3, 12, 9, 10, 3, 6, 26, 65, 48, 61, 50, 52, 7, 3, 21, 67, 67, 65, 56, 49, 68, 67, 56, 62, 61, 20, 3, 67, 48, 67, 62, 52, 49, 48, 9, 62, 65, 54, 3, 4, 15, 13, 18, 11, 12, 13, 3, 6, 23, 33, 7, 3, 5, 3, 4, 15, 10, 19, 18, 11, 19, 3, 6, 21, 56, 57, 56, 7, 3, 2, 3, 2], [1, 3, 1, 3, 23, 23, 8, 22, 45, 3, 12, 9, 10, 3, 6, 26, 65, 48, 61, 50, 52, 7, 3, 21, 67, 67, 65, 56, 49, 68, 67, 56, 62, 61, 20, 3, 67, 48, 67, 62, 52, 49, 48, 9, 62, 65, 54, 3, 4, 15, 13, 18, 11, 12, 13, 3, 6, 23, 33, 7, 3, 5, 3, 4, 14, 13, 12, 10, 14, 16, 12, 3, 6, 54, 56, 59, 59, 68, 71, 7, 3, 2, 3, 2], [1, 3, 1, 3, 23, 23, 8, 22, 45, 3, 12, 9, 10, 3, 6, 26, 65, 48, 61, 50, 52, 7, 3, 21, 67, 67, 65, 56, 49, 68, 67, 56, 62, 61, 20, 3, 67, 48, 67, 62, 52, 49, 48, 9, 62, 65, 54, 3, 4, 19, 10, 16, 13, 12, 18, 3, 6, 63, 48, 63, 48, 49, 52, 48, 65, 7, 3, 5, 3, 4, 19, 10, 16, 13, 13, 11, 3, 6, 66, 48, 50, 65, 52, 51, 50, 52, 59, 67, 56, 50, 7, 3, 2, 3, 2], [1, 3, 1, 3, 23, 23, 8, 22, 45, 3, 12, 9, 10, 3, 6, 26, 65, 48, 61, 50, 52, 7, 3, 21, 67, 67, 65, 56, 49, 68, 67, 56, 62, 61, 20, 3, 67, 48, 67, 62, 52, 49, 48, 9, 62, 65, 54, 3, 4, 19, 10, 16, 13, 12, 18, 3, 6, 63, 48, 63, 48, 49, 52, 48, 65, 7, 3, 5, 3, 4, 19, 10, 16, 13, 13, 12, 3, 6, 66, 48, 50, 65, 52, 51, 50, 52, 59, 67, 56, 50, 7, 3, 2, 3, 2]]
[[3, 1, 3, 23, 23, 8, 22, 45, 3, 12, 9, 10, 3, 6, 26, 65, 48, 61, 50, 52, 7, 3, 21, 67, 67, 65, 56, 49, 68, 67, 56, 62, 61, 20, 3, 67, 48, 67, 62, 52, 49, 48, 9, 62, 65, 54, 3, 4, 12, 18, 17, 17, 12, 17, 12, 3, 6, 23, 33, 7, 3, 5, 3, 4, 11, 11, 15, 18, 12, 15, 10, 3, 6, 43, 56, 67, 67, 72, 51, 52, 69, 7, 3, 2, 3, 2], [3, 1, 3, 23, 23, 8, 22, 45, 3, 12, 9, 10, 3, 6, 26, 65, 48, 61, 50, 52, 7, 3, 21, 67, 67, 65, 56, 49, 68, 67, 56, 62, 61, 20, 3, 67, 48, 67, 62, 52, 49, 48, 9, 62, 65, 54, 3, 4, 15, 13, 18, 11, 12, 13, 3, 6, 23, 33, 7, 3, 5, 3, 4, 15, 10, 19, 18, 11, 19, 3, 6, 21, 56, 57, 56, 7, 3, 2, 3, 2], [3, 1, 3, 23, 23, 8, 22, 45, 3, 12, 9, 10, 3, 6, 26, 65, 48, 61, 50, 52, 7, 3, 21, 67, 67, 65, 56, 49, 68, 67, 56, 62, 61, 20, 3, 67, 48, 67, 62, 52, 49, 48, 9, 62, 65, 54, 3, 4, 15, 13, 18, 11, 12, 13, 3, 6, 23, 33, 7, 3, 5, 3, 4, 14, 13, 12, 10, 14, 16, 12, 3, 6, 54, 56, 59, 59, 68, 71, 7, 3, 2, 3, 2], [3, 1, 3, 23, 23, 8, 22, 45, 3, 12, 9, 10, 3, 6, 26, 65, 48, 61, 50, 52, 7, 3, 21, 67, 67, 65, 56, 49, 68, 67, 56, 62, 61, 20, 3, 67, 48, 67, 62, 52, 49, 48, 9, 62, 65, 54, 3, 4, 19, 10, 16, 13, 12, 18, 3, 6, 63, 48, 63, 48, 49, 52, 48, 65, 7, 3, 5, 3, 4, 19, 10, 16, 13, 13, 11, 3, 6, 66, 48, 50, 65, 52, 51, 50, 52, 59, 67, 56, 50, 7, 3, 2, 3, 2], [3, 1, 3, 23, 23, 8, 22, 45, 3, 12, 9, 10, 3, 6, 26, 65, 48, 61, 50, 52, 7, 3, 21, 67, 67, 65, 56, 49, 68, 67, 56, 62, 61, 20, 3, 67, 48, 67, 62, 52, 49, 48, 9, 62, 65, 54, 3, 4, 19, 10, 16, 13, 12, 18, 3, 6, 63, 48, 63, 48, 49, 52, 48, 65, 7, 3, 5, 3, 4, 19, 10, 16, 13, 13, 12, 3, 6, 66, 48, 50, 65, 52, 51, 50, 52, 59, 67, 56, 50, 7, 3, 2, 3, 2]]

In [ ]:

max_src_len = max([len(line) for line in lines.src])
max_tar_len = max([len(line) for line in lines.tar])
print(max_src_len)
print(max_tar_len)

encoder_input = pad_sequences(encoder_input, maxlen=max_src_len, padding='post')
decoder_input = pad_sequences(decoder_input, maxlen=max_tar_len, padding='post')
decoder_target = pad_sequences(decoder_target, maxlen=max_tar_len, padding='post')

encoder_input = to_categorical(encoder_input)
decoder_input = to_categorical(decoder_input)
decoder_target = to_categorical(decoder_target)

72
110

In [ ]:

from tensorflow.keras.layers import Input, LSTM, Embedding, Dense
from tensorflow.keras.models import Model
import numpy as np

encoder_inputs = Input(shape=(None, src_vocab_size))
encoder_lstm = LSTM(units=256, return_state=True)
encoder_outputs, state_h, state_c = encoder_lstm(encoder_inputs)
# encoder_outputs도 같이 리턴받기는 했지만 여기서는 필요없으므로 이 값은 버림.
encoder_states = [state_h, state_c]
# LSTM은 바닐라 RNN과는 달리 상태가 두 개. 바로 은닉 상태와 셀 상태.

decoder_inputs = Input(shape=(None, tar_vocab_size))
decoder_lstm = LSTM(units=256, return_sequences=True, return_state=True)
decoder_outputs, _, _= decoder_lstm(decoder_inputs, initial_state=encoder_states)
# 디코더의 첫 상태를 인코더의 은닉 상태, 셀 상태로 합니다.
decoder_softmax_layer = Dense(tar_vocab_size, activation='softmax')
decoder_outputs = decoder_softmax_layer(decoder_outputs)

model = Model([encoder_inputs, decoder_inputs], decoder_outputs)
model.compile(optimizer="rmsprop", loss="categorical_crossentropy")

model.fit(x=[encoder_input, decoder_input], y=decoder_target, batch_size=64, epochs=50, validation_split=0.2)

In [ ]:

encoder_model = Model(inputs=encoder_inputs, outputs=encoder_states)

# 이전 시점의 상태들을 저장하는 텐서
decoder_state_input_h = Input(shape=(256,))
decoder_state_input_c = Input(shape=(256,))
decoder_states_inputs = [decoder_state_input_h, decoder_state_input_c]
decoder_outputs, state_h, state_c = decoder_lstm(decoder_inputs, initial_state=decoder_states_inputs)
# 문장의 다음 단어를 예측하기 위해서 초기 상태(initial_state)를 이전 시점의 상태로 사용. 이는 뒤의 함수 decode_sequence()에 구현
decoder_states = [state_h, state_c]
# 훈련 과정에서와 달리 LSTM의 리턴하는 은닉 상태와 셀 상태인 state_h와 state_c를 버리지 않음.
decoder_outputs = decoder_softmax_layer(decoder_outputs)
decoder_model = Model(inputs=[decoder_inputs] + decoder_states_inputs, outputs=[decoder_outputs] + decoder_states)

index_to_src = dict((i, char) for char, i in src_to_index.items())
index_to_tar = dict((i, char) for char, i in tar_to_index.items())

In [ ]:

def decode_sequence(input_seq):
    # 입력으로부터 인코더의 상태를 얻음
    states_value = encoder_model.predict(input_seq)

    # <SOS>에 해당하는 원-핫 벡터 생성
    target_seq = np.zeros((1, 1, tar_vocab_size))
    target_seq[0, 0, tar_to_index['\t']] = 1.

    stop_condition = False
    decoded_sentence = ""

    # stop_condition이 True가 될 때까지 루프 반복
    while not stop_condition:
        # 이점 시점의 상태 states_value를 현 시점의 초기 상태로 사용
        output_tokens, h, c = decoder_model.predict([target_seq] + states_value)

        # 예측 결과를 문자로 변환
        sampled_token_index = np.argmax(output_tokens[0, -1, :])
        sampled_char = index_to_tar[sampled_token_index]

        # 현재 시점의 예측 문자를 예측 문장에 추가
        decoded_sentence += sampled_char

        # <eos>에 도달하거나 최대 길이를 넘으면 중단.
        if (sampled_char == '\n' or
           len(decoded_sentence) > max_tar_len):
            stop_condition = True

        # 현재 시점의 예측 결과를 다음 시점의 입력으로 사용하기 위해 저장
        target_seq = np.zeros((1, 1, tar_vocab_size))
        target_seq[0, 0, sampled_token_index] = 1.

        # 현재 시점의 상태를 다음 시점의 상태로 사용하기 위해 저장
        states_value = [h, c]

    return decoded_sentence

In [ ]:

for seq_index in [3,50,100,300,1001]: # 입력 문장의 인덱스
    input_seq = encoder_input[seq_index: seq_index + 1]
    decoded_sentence = decode_sequence(input_seq)
    print(35 * "-")
    print('입력 문장:', lines.src[seq_index])
    print('정답 문장:', lines.tar[seq_index][1:len(lines.tar[seq_index])-1]) # '\t'와 '\n'을 빼고 출력
    print('번역기가 번역한 문장:', decoded_sentence[:len(decoded_sentence)-1]) # '\n'을 빼고 출력

In [ ]:

2020-09-17 게시 됨2021-08-22 업데이트 됨Study / AI11시간안에 읽기 (약 95590 단어)

2주차 - 딥러닝을 이용한 자연어처리 입문(위키독스)

nlp_week2

TOPIC MODELING¶

토픽 모델링: 기계학습 및 자연어 처리에서 문서집합 별 주제를 발견하기 위한 통계적 모델.
텍스트 본문의 숨겨진 의미 구조를 발견하기 위해 사용되는 텍스트 마이닝 기법.

잠재의미 분석 (Latent Semantic Analysis, LSA)¶

LSA는 토픽모델링을 위해 최적화된 알고리즘은 아님. 그러나 토픽모델링 분야에 대한 아이디어를 제공한 알고리즘이다. (토픽모델링에서는 LDA 알고리즘을 사용)
BoW에서는 단어 빈도수를 이용한 수치화 방법이기에, 단어 의미를 고려하지 못했음.
이것에 대한 대안으로 잠재된(latent) 의미를 이끌어내는 방법으로 잠재의미분석(LSA)를 사용한다.

특이값 분해 (Singular Value Decomposition, SVD)¶

LSA를 이해하기 위한 선형대수학의 방법 중 하나.
실수 벡터공간에 한정하여 설명됨.
SVD란 A가 (m x n)행렬일 때, A = (UΣV)^T로 분해하는 것임.
- U: m * m 직교행렬
- V: n * n 직교행렬
- Σ: m * n 직사각 대각행렬
  - 직교행렬: 자신과 자신의 전치행렬(transposed matrix)의 곱이 단위행렬(identity matrix)이 되는 행렬.
  - 이 때 SVD로 나온 대각행렬의 대각 원소의 값을 행렬 A의 특이값(singular value)라고 한다.

1. 전치행렬(Transposed Matrix)¶

원래 행렬에서 행과 열을 바꾼 행렬임.

2. 단위행렬(Identity Matrix)¶

주대각선의 원소가 1이고 나머지 원소는 모두 0인 정사각 행렬

3. 역행렬 (Inverse Matrix)¶

행렬 A와 어떤 행렬을 곱했을 때 단위행렬이 나오는 행렬이 나온다면 이 때의 어떤 행렬을 A의 역행렬이라고 함.

4. 직교행렬(Orthogonal Matrix)¶

실수 n n 행렬 A에 대해서 A A^T = I 를 만족하면서 A^T * A = I를 만족하는 행렬 A를 직교행렬이라고 함.
직교행렬은 A^-1 = A^T를 만족함.

5. 대각행렬(Diagonal Matrix)¶

주대각선을 제외한 곳의 원소가 모두 0인 행렬
SVD를 나온 대각행렬의 주대각 원소를 행렬 A의 특이값이라고 하며, 특이값들은 내림차순으로 정렬되어 있음.
ex) 아래 사진에서 12.4 -> 9.5 -> 1.3의 순으로 정렬되어 있음.

절단된 SVD (Truncated SVD)¶

위의 SVD를 Full SVD라고 하는데, LSA에서는 Full SVD로 나온 3개의 행렬에서 일부 벡터를 삭제한 후 절단된 SVD를 사용하게 됨.
대각행렬의 대각 원소의 값 중에서 상위값 t개만 남긴다.
값 손실이 있기 때문에 기존 행렬을 복구할 수 없음.
t는 찾고자 하는 토픽 수를 반영한 하이퍼 파라미터값임.
- 하이퍼파라미터: 사용자가 직접 값을 조절할 수 있는, 성능에 영향을 미치는 매개변수.
t를 크게 잡으면 기존 행렬로부터 다양한 의미를 가져갈 수 있지만, t를 작게 잡아야 노이즈를 제거할 수 있기 때문에 t를 선택하는 것은 쉽지 않음.
일부 벡터를 삭제하는 것: 데이터의 차원을 줄인다고도 함. -> Full SVD를 했을 때보다 직관적으로 계산비용이 낮아짐.
하지만, 상대적으로 중요하지 않은 정보를 삭제한다는 것은, 설명력이 낮은 정보를 삭제하고, 설명력이 높은 정보를 남긴다는 의미이므로, 기존 행렬에서 드러나지 않았던 새로운 특성(심층적인 의미)이 발견될 수 있음.

잠재의미분석(LSA)¶

기존 DTM(Document Term Matrix)이나 TF-IDF(Term Frequency-Inverse Document Frequency)행렬은 단어의 의미를 고려하지 못했음.
LSA는 절단된 SVD를 이용하여 DTM이나 TF-IDF의 차원을 축소시키고, 단어의 잠재적인 의미를 끌어낸다.

In [ ]:

import numpy as np
A=np.array([[0,0,0,1,0,1,1,0,0],[0,0,0,1,1,0,1,0,0],[0,1,1,0,2,0,0,0,0],[1,0,0,0,0,0,0,1,1]])
np.shape(A)

Out[ ]:

(4, 9)

In [ ]:

# FULL SVD

U, s, VT = np.linalg.svd(A, full_matrices = True)
print(U.round(2)) # 소수점 두 번째 자리까지만 출력
np.shape(U)

[[-0.24  0.75  0.   -0.62]
 [-0.51  0.44 -0.    0.74]
 [-0.83 -0.49 -0.   -0.27]
 [-0.   -0.    1.    0.  ]]

Out[ ]:

(4, 4)

In [ ]:

print(s.round(2))
np.shape(s)

[2.69 2.05 1.73 0.77]

Out[ ]:

(4,)

In [ ]:

# 대각행렬 S
S = np.zeros((4, 9)) # 대각 행렬의 크기인 4 x 9의 임의의 행렬 생성
S[:4, :4] = np.diag(s) # 특이값을 대각행렬에 삽입
print(S.round(2))
np.shape(S)

[[2.69 0.   0.   0.   0.   0.   0.   0.   0.  ]
 [0.   2.05 0.   0.   0.   0.   0.   0.   0.  ]
 [0.   0.   1.73 0.   0.   0.   0.   0.   0.  ]
 [0.   0.   0.   0.77 0.   0.   0.   0.   0.  ]]

Out[ ]:

(4, 9)

In [ ]:

# 직교행렬 VT (V의 전치행렬)
print(VT.round(2))
np.shape(VT)

[[-0.   -0.31 -0.31 -0.28 -0.8  -0.09 -0.28 -0.   -0.  ]
 [ 0.   -0.24 -0.24  0.58 -0.26  0.37  0.58 -0.   -0.  ]
 [ 0.58 -0.    0.    0.   -0.    0.   -0.    0.58  0.58]
 [ 0.   -0.35 -0.35  0.16  0.25 -0.8   0.16 -0.   -0.  ]
 [-0.   -0.78 -0.01 -0.2   0.4   0.4  -0.2   0.    0.  ]
 [-0.29  0.31 -0.78 -0.24  0.23  0.23  0.01  0.14  0.14]
 [-0.29 -0.1   0.26 -0.59 -0.08 -0.08  0.66  0.14  0.14]
 [-0.5  -0.06  0.15  0.24 -0.05 -0.05 -0.19  0.75 -0.25]
 [-0.5  -0.06  0.15  0.24 -0.05 -0.05 -0.19 -0.25  0.75]]

Out[ ]:

(9, 9)

In [ ]:

# allclose(): 두 개의 행렬이 동일하면 True
np.allclose(A, np.dot(np.dot(U,S), VT).round(2))

Out[ ]:

True

In [ ]:

# 절단된 SVD
S=S[:2,:2]
print(S.round(2))
U=U[:,:2]
print(U.round(2))
VT=VT[:2,:]
print(VT.round(2))

[[2.69 0.  ]
 [0.   2.05]]
[[-0.24  0.75]
 [-0.51  0.44]
 [-0.83 -0.49]
 [-0.   -0.  ]]
[[-0.   -0.31 -0.31 -0.28 -0.8  -0.09 -0.28 -0.   -0.  ]
 [ 0.   -0.24 -0.24  0.58 -0.26  0.37  0.58 -0.   -0.  ]]

In [ ]:

A_prime=np.dot(np.dot(U,S), VT)
print(A) # 기존행렬
print(A_prime.round(2)) # 절단된 SVD

[[0 0 0 1 0 1 1 0 0]
 [0 0 0 1 1 0 1 0 0]
 [0 1 1 0 2 0 0 0 0]
 [1 0 0 0 0 0 0 1 1]]
[[ 0.   -0.17 -0.17  1.08  0.12  0.62  1.08 -0.   -0.  ]
 [ 0.    0.2   0.2   0.91  0.86  0.45  0.91  0.    0.  ]
 [ 0.    0.93  0.93  0.03  2.05 -0.17  0.03  0.    0.  ]
 [ 0.    0.    0.    0.    0.    0.    0.    0.    0.  ]]

실습¶

뉴스그룹데이터 (sklearn)¶

In [ ]:

import pandas as pd
from sklearn.datasets import fetch_20newsgroups
dataset = fetch_20newsgroups(shuffle=True, random_state=1, remove=('headers', 'footers', 'quotes'))
documents = dataset.data
len(documents)

Downloading 20news dataset. This may take a few minutes.
Downloading dataset from https://ndownloader.figshare.com/files/5975967 (14 MB)

Out[ ]:

In [ ]:

documents[1]

Out[ ]:

"\n\n\n\n\n\n\nYeah, do you expect people to read the FAQ, etc. and actually accept hard\natheism?  No, you need a little leap of faith, Jimmy.  Your logic runs out\nof steam!\n\n\n\n\n\n\n\nJim,\n\nSorry I can't pity you, Jim.  And I'm sorry that you have these feelings of\ndenial about the faith you need to get by.  Oh well, just pretend that it will\nall end happily ever after anyway.  Maybe if you start a new newsgroup,\nalt.atheist.hard, you won't be bummin' so much?\n\n\n\n\n\n\nBye-Bye, Big Jim.  Don't forget your Flintstone's Chewables!  :) \n--\nBake Timmons, III"

In [ ]:

# 뉴스그룹 데이터가 가지고 있는 20개의 카테고리
print(dataset.target_names)
print(len(dataset.target_names))

['alt.atheism', 'comp.graphics', 'comp.os.ms-windows.misc', 'comp.sys.ibm.pc.hardware', 'comp.sys.mac.hardware', 'comp.windows.x', 'misc.forsale', 'rec.autos', 'rec.motorcycles', 'rec.sport.baseball', 'rec.sport.hockey', 'sci.crypt', 'sci.electronics', 'sci.med', 'sci.space', 'soc.religion.christian', 'talk.politics.guns', 'talk.politics.mideast', 'talk.politics.misc', 'talk.religion.misc']
20

텍스트 전처리¶

In [ ]:

news_df = pd.DataFrame({'document':documents})
# 특수 문자 제거
news_df['clean_doc'] = news_df['document'].str.replace("[^a-zA-Z]", " ")
# 길이가 3이하인 단어는 제거 (길이가 짧은 단어 제거)
news_df['clean_doc'] = news_df['clean_doc'].apply(lambda x: ' '.join([w for w in x.split() if len(w)>3]))
# 전체 단어에 대한 소문자 변환
news_df['clean_doc'] = news_df['clean_doc'].apply(lambda x: x.lower())

In [ ]:

news_df['clean_doc'][1]

Out[ ]:

'yeah expect people read actually accept hard atheism need little leap faith jimmy your logic runs steam sorry pity sorry that have these feelings denial about faith need well just pretend that will happily ever after anyway maybe start newsgroup atheist hard bummin much forget your flintstone chewables bake timmons'

In [ ]:

import nltk
nltk.download('stopwords')
from nltk.corpus import stopwords
stop_words = stopwords.words('english') # NLTK로부터 불용어를 받아옵니다.
tokenized_doc = news_df['clean_doc'].apply(lambda x: x.split()) # 토큰화
tokenized_doc = tokenized_doc.apply(lambda x: [item for item in x if item not in stop_words])
# 불용어를 제거합니다.

[nltk_data] Downloading package stopwords to /root/nltk_data...
[nltk_data]   Unzipping corpora/stopwords.zip.

In [ ]:

print(tokenized_doc[1])

['yeah', 'expect', 'people', 'read', 'actually', 'accept', 'hard', 'atheism', 'need', 'little', 'leap', 'faith', 'jimmy', 'logic', 'runs', 'steam', 'sorry', 'pity', 'sorry', 'feelings', 'denial', 'faith', 'need', 'well', 'pretend', 'happily', 'ever', 'anyway', 'maybe', 'start', 'newsgroup', 'atheist', 'hard', 'bummin', 'much', 'forget', 'flintstone', 'chewables', 'bake', 'timmons']

TF-IDF 행렬 만들기¶

TF-IDF 벡터라이저는 기본적으로 토큰화가 되어있지 않은 텍스트 데이터를 사용함.
그렇기에 역토큰화 작업부터 진행

In [ ]:

# 역토큰화 (토큰화 작업을 역으로 되돌림)
detokenized_doc = []
for i in range(len(news_df)):
    t = ' '.join(tokenized_doc[i])
    detokenized_doc.append(t)

news_df['clean_doc'] = detokenized_doc

In [ ]:

news_df['clean_doc'][1]

Out[ ]:

'yeah expect people read actually accept hard atheism need little leap faith jimmy logic runs steam sorry pity sorry feelings denial faith need well pretend happily ever anyway maybe start newsgroup atheist hard bummin much forget flintstone chewables bake timmons'

In [ ]:

from sklearn.feature_extraction.text import TfidfVectorizer

vectorizer = TfidfVectorizer(stop_words='english', 
                             max_features= 1000, # 상위 1,000개의 단어를 보존 
                             max_df = 0.5, 
                             smooth_idf=True)

X = vectorizer.fit_transform(news_df['clean_doc'])
X.shape # TF-IDF 행렬의 크기 확인

Out[ ]:

(11314, 1000)

토픽모델링(Topic Modeling)¶

TF-IDF 행렬을 절단된 SVD로 차원축소.

In [ ]:

from sklearn.decomposition import TruncatedSVD
svd_model = TruncatedSVD(n_components=20, algorithm='randomized', n_iter=100, random_state=122)
svd_model.fit(X)
len(svd_model.components_)

Out[ ]:

In [ ]:

np.shape(svd_model.components_) # svd_model.components_ : VT

Out[ ]:

(20, 1000)

In [ ]:

terms = vectorizer.get_feature_names() # 단어 집합. 1,000개의 단어가 저장됨.

# (20, 1000) 행렬에서 가장 값이 큰 5개의 값을 찾아서 단어로 출력함.
def get_topics(components, feature_names, n=5):
    for idx, topic in enumerate(components):
        print("Topic %d:" % (idx+1), [(feature_names[i], topic[i].round(5)) for i in topic.argsort()[:-n - 1:-1]])
get_topics(svd_model.components_,terms)

Topic 1: [('like', 0.21386), ('know', 0.20046), ('people', 0.19293), ('think', 0.17805), ('good', 0.15128)]
Topic 2: [('thanks', 0.32888), ('windows', 0.29088), ('card', 0.18069), ('drive', 0.17455), ('mail', 0.15111)]
Topic 3: [('game', 0.37064), ('team', 0.32443), ('year', 0.28154), ('games', 0.2537), ('season', 0.18419)]
Topic 4: [('drive', 0.53324), ('scsi', 0.20165), ('hard', 0.15628), ('disk', 0.15578), ('card', 0.13994)]
Topic 5: [('windows', 0.40399), ('file', 0.25436), ('window', 0.18044), ('files', 0.16078), ('program', 0.13894)]
Topic 6: [('chip', 0.16114), ('government', 0.16009), ('mail', 0.15625), ('space', 0.1507), ('information', 0.13562)]
Topic 7: [('like', 0.67086), ('bike', 0.14236), ('chip', 0.11169), ('know', 0.11139), ('sounds', 0.10371)]
Topic 8: [('card', 0.46633), ('video', 0.22137), ('sale', 0.21266), ('monitor', 0.15463), ('offer', 0.14643)]
Topic 9: [('know', 0.46047), ('card', 0.33605), ('chip', 0.17558), ('government', 0.1522), ('video', 0.14356)]
Topic 10: [('good', 0.42756), ('know', 0.23039), ('time', 0.1882), ('bike', 0.11406), ('jesus', 0.09027)]
Topic 11: [('think', 0.78469), ('chip', 0.10899), ('good', 0.10635), ('thanks', 0.09123), ('clipper', 0.07946)]
Topic 12: [('thanks', 0.36824), ('good', 0.22729), ('right', 0.21559), ('bike', 0.21037), ('problem', 0.20894)]
Topic 13: [('good', 0.36212), ('people', 0.33985), ('windows', 0.28385), ('know', 0.26232), ('file', 0.18422)]
Topic 14: [('space', 0.39946), ('think', 0.23258), ('know', 0.18074), ('nasa', 0.15174), ('problem', 0.12957)]
Topic 15: [('space', 0.31613), ('good', 0.3094), ('card', 0.22603), ('people', 0.17476), ('time', 0.14496)]
Topic 16: [('people', 0.48156), ('problem', 0.19961), ('window', 0.15281), ('time', 0.14664), ('game', 0.12871)]
Topic 17: [('time', 0.34465), ('bike', 0.27303), ('right', 0.25557), ('windows', 0.1997), ('file', 0.19118)]
Topic 18: [('time', 0.5973), ('problem', 0.15504), ('file', 0.14956), ('think', 0.12847), ('israel', 0.10903)]
Topic 19: [('file', 0.44163), ('need', 0.26633), ('card', 0.18388), ('files', 0.17453), ('right', 0.15448)]
Topic 20: [('problem', 0.33006), ('file', 0.27651), ('thanks', 0.23578), ('used', 0.19206), ('space', 0.13185)]

잠재 디리클레 할당(Latent Dirichlet Allocation, LDA)¶

LDA는 토픽 모델링의 대표적인 알고리즘임.
LDA는 문서들은 토픽들의 혼합으로 구성되어져 있고, 토픽들은 확률분포에 기반하여 단어들을 생성한다고 가정함.
즉 데이터가 주어지면, LDA는 문서가 생성되던 과정을 역추적함.

잠재 디리클레 할당 개요¶

문서1 : 저는 사과랑 바나나를 먹어요

문서2 : 우리는 귀여운 강아지가 좋아요

문서3 : 저의 깜찍하고 귀여운 강아지가 바나나를 먹어요

LDA를 수행할 때 문서집합에서 몇 개의 토픽이 존재할 지 가정하는 것은 사용자가 하는 일이다. 우선 2개의 토픽을 찾으라고 요청. (토픽개수를 의미하는 변수를 k라고 할 때, k = 2로 한다는 의미임)
LDA의 입력은 전처리를 거친 DTM으로 가정한다.

LDA는 각 문서의 토픽분포와 각 토픽 내의 단어분포를 추정함.

<각 문서의 토픽 분포>

문서1 : 토픽 A 100%

문서2 : 토픽 B 100%

문서3 : 토픽 B 60%, 토픽 A 40%

<각 토픽의 단어 분포>

토픽A : 사과 20%, 바나나 40%, 먹어요 40%, 귀여운 0%, 강아지 0%, 깜찍하고 0%, 좋아요 0%

토픽B : 사과 0%, 바나나 0%, 먹어요 0%, 귀여운 33%, 강아지 33%, 깜찍하고 16%, 좋아요 16%

토픽의 제목을 정하진 않았지만, 과일에 대한 토픽과 강아지에 대한 토픽으로 나뉘었다고 볼 수 있음.

LDA의 가정¶

LDA는 문서집합으로부터 어떤 토픽이 존재하는지를 알아내기 위한 알고리즘.
BoW의 DTM이나 TF-IDF를 입력으로 받는데, 즉 단어 순서를 신경쓰지 않겠다는 것임.
문서 작성자가 '나는 이 문서를 작성하기 위해 이런 주제들을 넣고, 이런 주제들을 위해서는 이런 단어들을 넣을 것이다.' 라는 생각을 한 후에 다음과 같은 과정을 거쳐서 작성되었다고 가정한다.
- 1) 문서에 사용할 단어의 개수 N을 정합니다.
  - Ex) 5개의 단어를 정하였습니다.
- 2) 문서에 사용할 토픽의 혼합을 확률 분포에 기반하여 결정합니다.
  - Ex) 위 예제와 같이 토픽이 2개라고 하였을 때 강아지 토픽을 60%, 과일 토픽을 40%와 같이 선택할 수 있습니다.
- 3) 문서에 사용할 각 단어를 (아래와 같이) 정합니다.
- 3-1) 토픽 분포에서 토픽 T를 확률적으로 고릅니다.
  - Ex) 60% 확률로 강아지 토픽을 선택하고, 40% 확률로 과일 토픽을 선택할 수 있습니다.
- 3-2) 선택한 토픽 T에서 단어의 출현 확률 분포에 기반해 문서에 사용할 단어를 고릅니다.
  - Ex) 강아지 토픽을 선택하였다면, 33% 확률로 강아지란 단어를 선택할 수 있습니다. 이제 3)을 반복하면서 문서를 완성합니다.
이런 과정을 통해 문서가 작성되었다는 가정 하에 LDA는 토픽을 뽑아내기 위해 위 과정을 역으로 추적하는 역공학(reverse engineering)을 수행한다.

LDA 수행¶

1) 사용자는 알고리즘에게 토픽의 개수 k를 알려줌. 2) 모든 단어를 k개 중 하나의 토픽에 할당한다. 3) 모든 문서의 모든 단어에 대해 아래 사항을 반복함. 3-1) 어떤 문서의 각 단어 w는 잘못된 토픽에 할당되어져 있지만, 다른 단어들은 전부 올바른 토픽에 할당되어져 있는 상태라고 가정함.

p (topic t | document d): 문서 d의 단어들 중 토픽 t에 해당하는 단어들의 비율
p (word w | topic t): 단어 w를 갖고 있는 문서들 중 토픽 t가 할당된 비율

LSA : DTM을 차원 축소 하여 축소 차원에서 근접 단어들을 토픽으로 묶는다.

LDA : 단어가 특정 토픽에 존재할 확률과 문서에 특정 토픽이 존재할 확률을 결합확률로 추정하여 토픽을 추출한다.

실습¶

정수인코딩과 단어집합 만들기¶

In [ ]:

import pandas as pd
from sklearn.datasets import fetch_20newsgroups
dataset = fetch_20newsgroups(shuffle=True, random_state=1, remove=('headers', 'footers', 'quotes'))
documents = dataset.data
len(documents)
news_df = pd.DataFrame({'document':documents})
# 특수 문자 제거
news_df['clean_doc'] = news_df['document'].str.replace("[^a-zA-Z]", " ")
# 길이가 3이하인 단어는 제거 (길이가 짧은 단어 제거)
news_df['clean_doc'] = news_df['clean_doc'].apply(lambda x: ' '.join([w for w in x.split() if len(w)>3]))
# 전체 단어에 대한 소문자 변환
news_df['clean_doc'] = news_df['clean_doc'].apply(lambda x: x.lower())
import nltk
nltk.download('stopwords')
from nltk.corpus import stopwords
stop_words = stopwords.words('english') # NLTK로부터 불용어를 받아옵니다.
tokenized_doc = news_df['clean_doc'].apply(lambda x: x.split()) # 토큰화
tokenized_doc = tokenized_doc.apply(lambda x: [item for item in x if item not in stop_words])
# 불용어를 제거합니다.

[nltk_data] Downloading package stopwords to /root/nltk_data...
[nltk_data]   Package stopwords is already up-to-date!

In [ ]:

tokenized_doc[:5]

Out[ ]:

0    [well, sure, story, seem, biased, disagree, st...
1    [yeah, expect, people, read, actually, accept,...
2    [although, realize, principle, strongest, poin...
3    [notwithstanding, legitimate, fuss, proposal, ...
4    [well, change, scoring, playoff, pool, unfortu...
Name: clean_doc, dtype: object

In [ ]:

from gensim import corpora
dictionary = corpora.Dictionary(tokenized_doc)
corpus = [dictionary.doc2bow(text) for text in tokenized_doc]
print(corpus[1]) # 수행된 결과에서 두번째 뉴스 출력. 첫번째 문서의 인덱스는 0
# (정수인코딩한 단어의 인덱스, 그 단어가 등장한 빈도)

[(52, 1), (55, 1), (56, 1), (57, 1), (58, 1), (59, 1), (60, 1), (61, 1), (62, 1), (63, 1), (64, 1), (65, 1), (66, 2), (67, 1), (68, 1), (69, 1), (70, 1), (71, 2), (72, 1), (73, 1), (74, 1), (75, 1), (76, 1), (77, 1), (78, 2), (79, 1), (80, 1), (81, 1), (82, 1), (83, 1), (84, 1), (85, 2), (86, 1), (87, 1), (88, 1), (89, 1)]

In [ ]:

print(dictionary[66])

faith

In [ ]:

len(dictionary)

Out[ ]:

LDA모델 훈련¶

In [ ]:

import gensim
NUM_TOPICS = 20 #20개의 토픽, k=20
ldamodel = gensim.models.ldamodel.LdaModel(corpus, num_topics = NUM_TOPICS, id2word=dictionary, passes=15)
topics = ldamodel.print_topics(num_words=4)
for topic in topics:
    print(topic)

(0, '0.005*"coli" + 0.005*"weaver" + 0.005*"francis" + 0.004*"mark"')
(1, '0.012*"drive" + 0.010*"problem" + 0.009*"would" + 0.009*"like"')
(2, '0.013*"price" + 0.013*"sale" + 0.010*"offer" + 0.010*"shipping"')
(3, '0.010*"nrhj" + 0.007*"wwiz" + 0.006*"bxom" + 0.006*"gizw"')
(4, '0.010*"president" + 0.006*"american" + 0.006*"year" + 0.005*"think"')
(5, '0.011*"available" + 0.010*"mail" + 0.009*"file" + 0.009*"information"')
(6, '0.012*"medical" + 0.010*"health" + 0.009*"disease" + 0.008*"pain"')
(7, '0.023*"game" + 0.022*"team" + 0.018*"games" + 0.016*"play"')
(8, '0.010*"would" + 0.010*"people" + 0.006*"think" + 0.005*"many"')
(9, '0.015*"char" + 0.015*"remark" + 0.009*"islanders" + 0.008*"kent"')
(10, '0.010*"food" + 0.006*"smokeless" + 0.005*"billion" + 0.004*"chinese"')
(11, '0.008*"printer" + 0.007*"print" + 0.005*"borland" + 0.004*"engine"')
(12, '0.014*"would" + 0.011*"like" + 0.009*"know" + 0.008*"time"')
(13, '0.014*"bike" + 0.010*"printf" + 0.008*"cars" + 0.007*"engine"')
(14, '0.020*"file" + 0.016*"window" + 0.015*"entry" + 0.014*"output"')
(15, '0.008*"ground" + 0.007*"wire" + 0.006*"power" + 0.005*"current"')
(16, '0.011*"armenian" + 0.010*"israel" + 0.010*"armenians" + 0.009*"jews"')
(17, '0.012*"chip" + 0.011*"keys" + 0.009*"data" + 0.009*"number"')
(18, '0.036*"space" + 0.015*"nasa" + 0.009*"center" + 0.008*"launch"')
(19, '0.012*"government" + 0.008*"public" + 0.006*"would" + 0.006*"security"')

In [ ]:

# 각 토픽별 10개 단어씩 출력
print(ldamodel.print_topics())

[(0, '0.005*"coli" + 0.005*"weaver" + 0.005*"francis" + 0.004*"mark" + 0.004*"maine" + 0.004*"andrew" + 0.004*"cleveland" + 0.004*"acid" + 0.004*"steve" + 0.004*"finals"'), (1, '0.012*"drive" + 0.010*"problem" + 0.009*"would" + 0.009*"like" + 0.009*"system" + 0.009*"windows" + 0.009*"card" + 0.008*"know" + 0.007*"disk" + 0.007*"scsi"'), (2, '0.013*"price" + 0.013*"sale" + 0.010*"offer" + 0.010*"shipping" + 0.009*"condition" + 0.008*"sell" + 0.008*"asking" + 0.007*"best" + 0.006*"excellent" + 0.005*"used"'), (3, '0.010*"nrhj" + 0.007*"wwiz" + 0.006*"bxom" + 0.006*"gizw" + 0.005*"tbxn" + 0.005*"bhjn" + 0.005*"bxlt" + 0.004*"wmbxn" + 0.004*"nriz" + 0.004*"pnei"'), (4, '0.010*"president" + 0.006*"american" + 0.006*"year" + 0.005*"think" + 0.005*"going" + 0.005*"people" + 0.005*"april" + 0.005*"money" + 0.005*"work" + 0.005*"would"'), (5, '0.011*"available" + 0.010*"mail" + 0.009*"file" + 0.009*"information" + 0.008*"also" + 0.008*"files" + 0.008*"software" + 0.008*"please" + 0.007*"version" + 0.007*"send"'), (6, '0.012*"medical" + 0.010*"health" + 0.009*"disease" + 0.008*"pain" + 0.007*"patients" + 0.005*"doctor" + 0.005*"study" + 0.005*"cancer" + 0.004*"cause" + 0.004*"diseases"'), (7, '0.023*"game" + 0.022*"team" + 0.018*"games" + 0.016*"play" + 0.014*"season" + 0.012*"players" + 0.011*"hockey" + 0.010*"period" + 0.010*"league" + 0.008*"teams"'), (8, '0.010*"would" + 0.010*"people" + 0.006*"think" + 0.005*"many" + 0.005*"believe" + 0.005*"jesus" + 0.005*"even" + 0.004*"know" + 0.004*"also" + 0.004*"like"'), (9, '0.015*"char" + 0.015*"remark" + 0.009*"islanders" + 0.008*"kent" + 0.007*"mask" + 0.006*"argv" + 0.006*"hawks" + 0.006*"graphic" + 0.005*"devils" + 0.005*"award"'), (10, '0.010*"food" + 0.006*"smokeless" + 0.005*"billion" + 0.004*"chinese" + 0.004*"dept" + 0.004*"term" + 0.003*"contacts" + 0.003*"high" + 0.003*"outbreak" + 0.003*"option"'), (11, '0.008*"printer" + 0.007*"print" + 0.005*"borland" + 0.004*"engine" + 0.004*"year" + 0.004*"liar" + 0.004*"laser" + 0.004*"yankees" + 0.003*"exhaust" + 0.003*"printing"'), (12, '0.014*"would" + 0.011*"like" + 0.009*"know" + 0.008*"time" + 0.008*"think" + 0.008*"good" + 0.007*"people" + 0.007*"could" + 0.007*"well" + 0.006*"back"'), (13, '0.014*"bike" + 0.010*"printf" + 0.008*"cars" + 0.007*"engine" + 0.006*"road" + 0.006*"miles" + 0.006*"ride" + 0.005*"front" + 0.005*"riding" + 0.004*"motorcycle"'), (14, '0.020*"file" + 0.016*"window" + 0.015*"entry" + 0.014*"output" + 0.014*"program" + 0.009*"motif" + 0.009*"widget" + 0.007*"build" + 0.007*"line" + 0.007*"server"'), (15, '0.008*"ground" + 0.007*"wire" + 0.006*"power" + 0.005*"current" + 0.004*"circuit" + 0.004*"high" + 0.004*"wiring" + 0.004*"theory" + 0.004*"output" + 0.003*"neutral"'), (16, '0.011*"armenian" + 0.010*"israel" + 0.010*"armenians" + 0.009*"jews" + 0.008*"turkish" + 0.008*"people" + 0.006*"israeli" + 0.005*"said" + 0.005*"turkey" + 0.005*"killed"'), (17, '0.012*"chip" + 0.011*"keys" + 0.009*"data" + 0.009*"number" + 0.009*"bits" + 0.007*"ripem" + 0.007*"algorithm" + 0.006*"used" + 0.006*"serial" + 0.005*"using"'), (18, '0.036*"space" + 0.015*"nasa" + 0.009*"center" + 0.008*"launch" + 0.007*"satellite" + 0.007*"earth" + 0.006*"research" + 0.006*"shuttle" + 0.006*"data" + 0.006*"orbit"'), (19, '0.012*"government" + 0.008*"public" + 0.006*"would" + 0.006*"security" + 0.006*"encryption" + 0.006*"state" + 0.005*"people" + 0.005*"control" + 0.005*"guns" + 0.005*"right"')]

LDA 시각화¶

In [ ]:

!pip install pyLDAvis

Collecting pyLDAvis
  Downloading https://files.pythonhosted.org/packages/a5/3a/af82e070a8a96e13217c8f362f9a73e82d61ac8fff3a2561946a97f96266/pyLDAvis-2.1.2.tar.gz (1.6MB)
     |████████████████████████████████| 1.6MB 4.2MB/s 
Requirement already satisfied: wheel>=0.23.0 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pyLDAvis) (0.34.2)
Requirement already satisfied: numpy>=1.9.2 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pyLDAvis) (1.18.5)
Requirement already satisfied: scipy>=0.18.0 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pyLDAvis) (1.4.1)
Requirement already satisfied: pandas>=0.17.0 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pyLDAvis) (1.0.5)
Requirement already satisfied: joblib>=0.8.4 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pyLDAvis) (0.16.0)
Requirement already satisfied: jinja2>=2.7.2 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pyLDAvis) (2.11.2)
Requirement already satisfied: numexpr in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pyLDAvis) (2.7.1)
Requirement already satisfied: pytest in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pyLDAvis) (3.6.4)
Requirement already satisfied: future in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pyLDAvis) (0.16.0)
Collecting funcy
  Downloading https://files.pythonhosted.org/packages/ce/4b/6ffa76544e46614123de31574ad95758c421aae391a1764921b8a81e1eae/funcy-1.14.tar.gz (548kB)
     |████████████████████████████████| 552kB 21.6MB/s 
Requirement already satisfied: python-dateutil>=2.6.1 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pandas>=0.17.0->pyLDAvis) (2.8.1)
Requirement already satisfied: pytz>=2017.2 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pandas>=0.17.0->pyLDAvis) (2018.9)
Requirement already satisfied: MarkupSafe>=0.23 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from jinja2>=2.7.2->pyLDAvis) (1.1.1)
Requirement already satisfied: attrs>=17.4.0 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pytest->pyLDAvis) (19.3.0)
Requirement already satisfied: more-itertools>=4.0.0 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pytest->pyLDAvis) (8.4.0)
Requirement already satisfied: setuptools in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pytest->pyLDAvis) (49.2.0)
Requirement already satisfied: atomicwrites>=1.0 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pytest->pyLDAvis) (1.4.0)
Requirement already satisfied: py>=1.5.0 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pytest->pyLDAvis) (1.9.0)
Requirement already satisfied: six>=1.10.0 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pytest->pyLDAvis) (1.15.0)
Requirement already satisfied: pluggy<0.8,>=0.5 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from pytest->pyLDAvis) (0.7.1)
Building wheels for collected packages: pyLDAvis, funcy
  Building wheel for pyLDAvis (setup.py) ... done
  Created wheel for pyLDAvis: filename=pyLDAvis-2.1.2-py2.py3-none-any.whl size=97711 sha256=52f0dea0b40710aa11fba08c35c1d2398832d2064c539c40cbb60aee5e8280f6
  Stored in directory: /root/.cache/pip/wheels/98/71/24/513a99e58bb6b8465bae4d2d5e9dba8f0bef8179e3051ac414
  Building wheel for funcy (setup.py) ... done
  Created wheel for funcy: filename=funcy-1.14-py2.py3-none-any.whl size=32042 sha256=6a38dff8d5f3d66dc80e430c3bd50ba1f5a266f23c8f6c32da0f6f238a91669e
  Stored in directory: /root/.cache/pip/wheels/20/5a/d8/1d875df03deae6f178dfdf70238cca33f948ef8a6f5209f2eb
Successfully built pyLDAvis funcy
Installing collected packages: funcy, pyLDAvis
Successfully installed funcy-1.14 pyLDAvis-2.1.2

In [ ]:

import pyLDAvis.gensim
pyLDAvis.enable_notebook()
vis = pyLDAvis.gensim.prepare(ldamodel, corpus, dictionary)
pyLDAvis.display(vis)

Out[ ]:

문서 별 토픽 분포 확인¶

In [ ]:

for i, topic_list in enumerate(ldamodel[corpus]):
    if i==5:
        break
    print(i,'번째 문서의 topic 비율은',topic_list)

0 번째 문서의 topic 비율은 [(4, 0.34923318), (8, 0.3780517), (16, 0.2590055)]
1 번째 문서의 topic 비율은 [(1, 0.38693827), (8, 0.49144486), (12, 0.10088517)]
2 번째 문서의 topic 비율은 [(0, 0.04607978), (8, 0.25842667), (12, 0.3245097), (16, 0.30464748), (17, 0.054239646)]
3 번째 문서의 topic 비율은 [(1, 0.12215593), (8, 0.12693422), (11, 0.16771415), (12, 0.23100159), (19, 0.34100008)]
4 번째 문서의 topic 비율은 [(1, 0.40955263), (7, 0.24102388), (12, 0.24536817), (14, 0.07442568)]

In [ ]:

def make_topictable_per_doc(ldamodel, corpus):
    topic_table = pd.DataFrame()

    # 몇 번째 문서인지를 의미하는 문서 번호와 해당 문서의 토픽 비중을 한 줄씩 꺼내온다.
    for i, topic_list in enumerate(ldamodel[corpus]):
        doc = topic_list[0] if ldamodel.per_word_topics else topic_list            
        doc = sorted(doc, key=lambda x: (x[1]), reverse=True)
        # 각 문서에 대해서 비중이 높은 토픽순으로 토픽을 정렬한다.
        # EX) 정렬 전 0번 문서 : (2번 토픽, 48.5%), (8번 토픽, 25%), (10번 토픽, 5%), (12번 토픽, 21.5%), 
        # Ex) 정렬 후 0번 문서 : (2번 토픽, 48.5%), (8번 토픽, 25%), (12번 토픽, 21.5%), (10번 토픽, 5%)
        # 48 > 25 > 21 > 5 순으로 정렬이 된 것.

        # 모든 문서에 대해서 각각 아래를 수행
        for j, (topic_num, prop_topic) in enumerate(doc): #  몇 번 토픽인지와 비중을 나눠서 저장한다.
            if j == 0:  # 정렬을 한 상태이므로 가장 앞에 있는 것이 가장 비중이 높은 토픽
                topic_table = topic_table.append(pd.Series([int(topic_num), round(prop_topic,4), topic_list]), ignore_index=True)
                # 가장 비중이 높은 토픽과, 가장 비중이 높은 토픽의 비중과, 전체 토픽의 비중을 저장한다.
            else:
                break
    return(topic_table)

topictable = make_topictable_per_doc(ldamodel, corpus)
topictable = topictable.reset_index() # 문서 번호을 의미하는 열(column)로 사용하기 위해서 인덱스 열을 하나 더 만든다.
topictable.columns = ['문서 번호', '가장 비중이 높은 토픽', '가장 높은 토픽의 비중', '각 토픽의 비중']
topictable[:10]

Out[ ]:

	문서 번호	가장 비중이 높은 토픽	가장 높은 토픽의 비중	각 토픽의 비중
0	0	8.0	0.3780	[(4, 0.34922978), (8, 0.37804338), (16, 0.2590...
1	1	8.0	0.4914	[(1, 0.3868836), (8, 0.4913948), (12, 0.100989...
2	2	12.0	0.3245	[(0, 0.046079557), (8, 0.25844014), (12, 0.324...
3	3	19.0	0.3410	[(1, 0.12217032), (8, 0.12684505), (11, 0.1677...
4	4	1.0	0.4095	[(1, 0.40951708), (7, 0.24102204), (12, 0.2454...
5	5	1.0	0.3399	[(1, 0.33988795), (8, 0.30458233), (10, 0.0438...
6	6	11.0	0.7687	[(1, 0.13989833), (11, 0.76868165), (12, 0.052...
7	7	4.0	0.3474	[(4, 0.34736708), (8, 0.30865473), (12, 0.2449...
8	8	10.0	0.6318	[(8, 0.1317907), (10, 0.63179904), (12, 0.2134...
9	9	12.0	0.3579	[(1, 0.2951199), (2, 0.043202877), (6, 0.10784...

잠재 디리클레 할당 실습2¶

뉴스기사 제목 데이터에 대한 이해¶

https://www.kaggle.com/therohk/million-headlines

In [ ]:

import pandas as pd
import urllib.request
urllib.request.urlretrieve("https://raw.githubusercontent.com/franciscadias/data/master/abcnews-date-text.csv", filename="abcnews-date-text.csv")
data = pd.read_csv('abcnews-date-text.csv', error_bad_lines=False)
print(len(data))

In [ ]:

print(data.head(5))

   publish_date                                      headline_text
0      20030219  aba decides against community broadcasting lic...
1      20030219     act fire witnesses must be aware of defamation
2      20030219     a g calls for infrastructure protection summit
3      20030219           air nz staff in aust strike for pay rise
4      20030219      air nz strike to affect australian travellers

In [ ]:

text = data[['headline_text']]
text.head(5)

Out[ ]:

	headline_text
0	aba decides against community broadcasting lic...
1	act fire witnesses must be aware of defamation
2	a g calls for infrastructure protection summit
3	air nz staff in aust strike for pay rise
4	air nz strike to affect australian travellers

In [ ]:

import nltk
nltk.download('punkt')
text['headline_text'] = text.apply(lambda row: nltk.word_tokenize(row['headline_text']), axis=1)

[nltk_data] Downloading package punkt to /root/nltk_data...
[nltk_data]   Unzipping tokenizers/punkt.zip.

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/ipykernel_launcher.py:3: SettingWithCopyWarning: 
A value is trying to be set on a copy of a slice from a DataFrame.
Try using .loc[row_indexer,col_indexer] = value instead

See the caveats in the documentation: https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/user_guide/indexing.html#returning-a-view-versus-a-copy
  This is separate from the ipykernel package so we can avoid doing imports until

In [ ]:

print(text.head(5))

                                       headline_text
0  [aba, decides, against, community, broadcastin...
1  [act, fire, witnesses, must, be, aware, of, de...
2  [a, g, calls, for, infrastructure, protection,...
3  [air, nz, staff, in, aust, strike, for, pay, r...
4  [air, nz, strike, to, affect, australian, trav...

In [ ]:

# 불용어 제거
from nltk.corpus import stopwords
stop = stopwords.words('english')
text['headline_text'] = text['headline_text'].apply(lambda x: [word for word in x if word not in (stop)])
print(text.head(5))

                                       headline_text
0   [aba, decides, community, broadcasting, licence]
1    [act, fire, witnesses, must, aware, defamation]
2     [g, calls, infrastructure, protection, summit]
3          [air, nz, staff, aust, strike, pay, rise]
4  [air, nz, strike, affect, australian, travellers]

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/ipykernel_launcher.py:3: SettingWithCopyWarning: 
A value is trying to be set on a copy of a slice from a DataFrame.
Try using .loc[row_indexer,col_indexer] = value instead

See the caveats in the documentation: https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/user_guide/indexing.html#returning-a-view-versus-a-copy
  This is separate from the ipykernel package so we can avoid doing imports until

In [ ]:

nltk.download('wordnet')

[nltk_data] Downloading package wordnet to /root/nltk_data...
[nltk_data]   Unzipping corpora/wordnet.zip.

Out[ ]:

True

In [ ]:

# 표제어 추출
from nltk.stem import WordNetLemmatizer
text['headline_text'] = text['headline_text'].apply(lambda x: [WordNetLemmatizer().lemmatize(word, pos='v') for word in x])
print(text.head(5))

                                       headline_text
0       [aba, decide, community, broadcast, licence]
1      [act, fire, witness, must, aware, defamation]
2      [g, call, infrastructure, protection, summit]
3          [air, nz, staff, aust, strike, pay, rise]
4  [air, nz, strike, affect, australian, travellers]

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/ipykernel_launcher.py:2: SettingWithCopyWarning: 
A value is trying to be set on a copy of a slice from a DataFrame.
Try using .loc[row_indexer,col_indexer] = value instead

See the caveats in the documentation: https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/user_guide/indexing.html#returning-a-view-versus-a-copy

In [ ]:

# 길이가 3이하인 단어 제거
tokenized_doc = text['headline_text'].apply(lambda x: [word for word in x if len(word) > 3])
print(tokenized_doc[:5])

0       [decide, community, broadcast, licence]
1      [fire, witness, must, aware, defamation]
2    [call, infrastructure, protection, summit]
3                   [staff, aust, strike, rise]
4      [strike, affect, australian, travellers]
Name: headline_text, dtype: object

TF-IDF행렬 만들기¶

In [ ]:

# 역토큰화 (토큰화 작업을 되돌림)
detokenized_doc = []
for i in range(len(text)):
    t = ' '.join(tokenized_doc[i])
    detokenized_doc.append(t)

text['headline_text'] = detokenized_doc # 다시 text['headline_text']에 재저장

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/ipykernel_launcher.py:7: SettingWithCopyWarning: 
A value is trying to be set on a copy of a slice from a DataFrame.
Try using .loc[row_indexer,col_indexer] = value instead

See the caveats in the documentation: https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/user_guide/indexing.html#returning-a-view-versus-a-copy
  import sys

In [ ]:

text['headline_text'][:5]

Out[ ]:

0       decide community broadcast licence
1       fire witness must aware defamation
2    call infrastructure protection summit
3                   staff aust strike rise
4      strike affect australian travellers
Name: headline_text, dtype: object

In [ ]:

from sklearn.feature_extraction.text import TfidfVectorizer
vectorizer = TfidfVectorizer(stop_words='english', 
max_features= 1000) # 상위 1,000개의 단어를 보존 
X = vectorizer.fit_transform(text['headline_text'])
X.shape # TF-IDF 행렬의 크기 확인

Out[ ]:

(1082168, 1000)

토픽모델링¶

In [ ]:

from sklearn.decomposition import LatentDirichletAllocation
lda_model=LatentDirichletAllocation(n_components=10,learning_method='online',random_state=777,max_iter=1)
lda_top=lda_model.fit_transform(X)
print(lda_model.components_)
print(lda_model.components_.shape) 

[[1.00001533e-01 1.00001269e-01 1.00004179e-01 ... 1.00006124e-01
  1.00003111e-01 1.00003064e-01]
 [1.00001199e-01 1.13513398e+03 3.50170830e+03 ... 1.00009349e-01
  1.00001896e-01 1.00002937e-01]
 [1.00001811e-01 1.00001151e-01 1.00003566e-01 ... 1.00002693e-01
  1.00002061e-01 7.53381835e+02]
 ...
 [1.00001065e-01 1.00001689e-01 1.00003278e-01 ... 1.00006721e-01
  1.00004902e-01 1.00004759e-01]
 [1.00002401e-01 1.00000732e-01 1.00002989e-01 ... 1.00003517e-01
  1.00001428e-01 1.00005266e-01]
 [1.00003427e-01 1.00002313e-01 1.00007340e-01 ... 1.00003732e-01
  1.00001207e-01 1.00005153e-01]]
(10, 1000)

In [ ]:

terms = vectorizer.get_feature_names() # 단어 집합. 1,000개의 단어가 저장됨.

def get_topics(components, feature_names, n=5):
    for idx, topic in enumerate(components):
        print("Topic %d:" % (idx+1), [(feature_names[i], topic[i].round(2)) for i in topic.argsort()[:-n - 1:-1]])
get_topics(lda_model.components_,terms)

Topic 1: [('government', 8725.19), ('sydney', 8393.29), ('queensland', 7720.12), ('change', 5874.27), ('home', 5674.38)]
Topic 2: [('australia', 13691.08), ('australian', 11088.95), ('melbourne', 7528.43), ('world', 6707.7), ('south', 6677.03)]
Topic 3: [('death', 5935.06), ('interview', 5924.98), ('kill', 5851.6), ('jail', 4632.85), ('life', 4275.27)]
Topic 4: [('house', 6113.49), ('2016', 5488.19), ('state', 4923.41), ('brisbane', 4857.21), ('tasmania', 4610.97)]
Topic 5: [('court', 7542.74), ('attack', 6959.64), ('open', 5663.0), ('face', 5193.63), ('warn', 5115.01)]
Topic 6: [('market', 5545.86), ('rural', 5502.89), ('plan', 4828.71), ('indigenous', 4223.4), ('power', 3968.26)]
Topic 7: [('charge', 8428.8), ('election', 7561.63), ('adelaide', 6758.36), ('make', 5658.99), ('test', 5062.69)]
Topic 8: [('police', 12092.44), ('crash', 5281.14), ('drug', 4290.87), ('beat', 3257.58), ('rise', 2934.92)]
Topic 9: [('fund', 4693.03), ('labor', 4047.69), ('national', 4038.68), ('council', 4006.62), ('claim', 3604.75)]
Topic 10: [('trump', 11966.41), ('perth', 6456.53), ('report', 5611.33), ('school', 5465.06), ('woman', 5456.76)]

순환 신경망 (Recurrent Neural Network)¶

순환신경망 (Recurrent Neural Network, RNN)¶

RNN은 시퀀스(Sequence) 모델이다. 입, 출력을 시퀀스 단위로 처리함.
LSTM이나 GRU 또한 근본적으로 RNN임.

순환신경망 (RNN)¶

은닉층의 노드에서 활성화 함수를 통해 나온 결과값을 출력층 방향으로도 보내면서, 다시 은닉층 노드의 다음 계산의 입력으로 보내는 특징을 가지고 있음.
x는 입력벡터, y는 출력벡터. 은닉층에서 활성화 함수를 통해 결과를 내보내는 역할을 하는 노드를 셀(Cell)이라고 함. 이전 값을 기억하려는 일종의 메모리 역할이므로, 메모리 셀 또는 RNN셀 이라고도 함.
RNN의 은닉층 h(t): 주로 하이퍼볼릭탄젠트(tanh)가 사용, ReLU를 사용하기도 함.

In [ ]:

# RNN 층을 추가하는 코드.
model.add(SimpleRNN(hidden_size)) # 가장 간단한 형태

# 추가 인자를 사용할 때
model.add(SimpleRNN(hidden_size, input_shape=(timesteps, input_dim)))

# 다른 표기
model.add(SimpleRNN(hidden_size, input_length=M, input_dim=N))
# 단, M과 N은 정수

In [ ]:

from keras.models import Sequential
from keras.layers import SimpleRNN
model = Sequential()
model.add(SimpleRNN(3, input_shape=(2,10)))
# model.add(SimpleRNN(3, input_length=2, input_dim=10))와 동일함.
model.summary()

Model: "sequential_4"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
simple_rnn (SimpleRNN)       (None, 3)                 42        
=================================================================
Total params: 42
Trainable params: 42
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

In [ ]:

model = Sequential()
model.add(SimpleRNN(3, batch_input_shape=(8,2,10)))
model.summary()

Model: "sequential_5"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
simple_rnn_1 (SimpleRNN)     (8, 3)                    42        
=================================================================
Total params: 42
Trainable params: 42
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

장단기 메모리 (Long Short-Term Memory, LSTM)¶

Simple RNN의 한계¶

RNN의 출력 결과는 이전 계산 결과에 의존한다는 단점이 있음. 때문에 simple RNN은 짧은 시퀀스에 대해서만 효과가 있음.
뒤로 갈 수록 x1의 정보량이 손실되어간다는 것임.

케라스에서 LSTM 사용법:

# 실제 GRU 은닉층을 추가하는 코드.
model.add(LSTM(hidden_size, input_shape=(timesteps, input_dim)))

LSTM¶

은닉층의 메모리 셀에 입력게이트, 망각게이트, 출력게이트를 추가하여 불필요한 기억을 지우고, 기억해야할 것들을 정함.
은닉상태(hidden stats)를 계산하는 식이 더 복잡해졌으며 cell state라는 값을 추가함.

셀상태 역시 은닉상태처럼 이전 시점의 셀 상태가 다음 시점의 셀 상태를 구하기 위한 입력으로서 사용된다.

입력게이트¶

삭제게이트¶

셀 상태(장기 상태)¶

출력게이트와 은닉상태(단기 상태)¶

게이트 순환유닛 (Gated Recurrent Unit, GRU)¶

2014년 뉴욕대학교 조경현 교수가 집필한 논문에서 제안됨.

GRU¶

LSTM에는 출력, 입력, 삭제게이트가 존재했음.
반면 GRU에서는 업데이트 게이트와 리셋 게이트 두 가지만이 존재함.
LSTM보다 학습속도가 빠르다고 알려져 있으나, 대체로 비슷한 성능을 보인다고 알려져 있음.
데이터 양이 적을 때는, 매개 변수 양이 적은 GRU, 데이터 양이 많을 때는 LSTM이 적합하다고 함.

케라스에서 GRU 사용법:

# 실제 GRU 은닉층을 추가하는 코드.
model.add(GRU(hidden_size, input_shape=(timesteps, input_dim)))

RNN 언어 모델(Recurrent Neural Network Language Model, RNNLM)¶

RNN 언어 모델¶

N-gram과 달리 RNN으로 언어 모델을 만들면 입력의 길이를 고정하지 않을 수 있음.
ex) "what will the fat cat sit on"
RNNLM은 기본적으로 예측 과정에서 이전 시점의 출력을 현재 시점의 입력으로 한다. (y1 -> x2)
세 번째지점에서 fat은 앞서 나온 what will the라는 시퀀스로 인해 결정된 단어임.
즉, what will the fat cat sit on이라는 훈련 샘플이 있을 때, 이 시퀀스를 모델의 입력으로 넣으면 will the fat cat sit on을 예측하도록 훈련됨. 이 방식을 교사강요(teacher forcing)라고 한다.
출력층에서는 소프트맥스 함수를 활성화 함수로 사용.
손실함수로 크로스 엔트로피 함수를 사용.
RNNLM은 4개의 레이어로 이루어진 인공신경망임.
- 현 시점은 4로 가정.
- 입력층: 단어집합의 4인덱스인 단어 'fat'의 원-핫 벡터가 입력으로 들어감.
- 출력층: fat 다음에 오는 단어인 cat의 원-핫 벡터가 모델이 예측한 값의 오차를 구하기 위해 사용됨. 즉, 오차로부터 손실함수를 이용해 학습이 진행됨.
- 원핫 벡터를 입력받은 RNNLM은 임베딩 레이어(투사층)를 지난다. 여기에서 단어집합의 크기가 V, 임베딩 벡터의 크기가 M일 때, 각 입력 단어들은 임베딩층에서 V * M 크기의 임베딩 행렬과 곱해짐. 이 임베딩 행렬은 역전파 과정에서 다른 가중치들과 함께 학습됨.
- 이렇게 나온 e(t)는 은닉층으로 넘겨지게 되고, 이전 시점(t - 1)의 은닉상태인 h(t - 1)과 연산을 통해 현재 시점(t)의 은닉상태 h(t)를 계산하게 됨. (하이퍼볼릭 탄젠트 함수 이용)
- 출력층에서는 활성화 함수로 소프트맥스 사용. 소프트맥스 함수를 이용해 얻은 값은 실제 정답 단어의 원핫 벡터의 값에 가까워져야 하기 때문에, 여기에서 손실함수로 크로스엔트로피 함수를 사용.
- 역전파가 이루어지면서 가중치 행렬들이 학습되는데, 여기에서 임베딩 벡터값들 역시 학습이 됨.

RNN을 이용한 텍스트 생성 (Text Generation using RNN)¶

다 대 일(many-to-one) 구조의 RNN을 사용.

RNN을 이용하여 텍스트 생성하기.¶

데이터에 대한 이해와 전처리¶

In [ ]:

from tensorflow.keras.preprocessing.text import Tokenizer
from tensorflow.keras.preprocessing.sequence import pad_sequences
import numpy as np
from tensorflow.keras.utils import to_categorical

In [ ]:

text="""경마장에 있는 말이 뛰고 있다\n
그의 말이 법이다\n
가는 말이 고와야 오는 말이 곱다\n"""

t = Tokenizer()
t.fit_on_texts([text])
vocab_size = len(t.word_index) + 1
# 케라스 토크나이저의 정수 인코딩은 인덱스가 1부터 시작하지만,
# 케라스 원-핫 인코딩에서 배열의 인덱스가 0부터 시작하기 때문에
# 배열의 크기를 실제 단어 집합의 크기보다 +1로 생성해야하므로 미리 +1 선언 
print('단어 집합의 크기 : %d' % vocab_size)
print(t.word_index)

단어 집합의 크기 : 12
{'말이': 1, '경마장에': 2, '있는': 3, '뛰고': 4, '있다': 5, '그의': 6, '법이다': 7, '가는': 8, '고와야': 9, '오는': 10, '곱다': 11}

In [ ]:

# 정수인코딩
sequences = list()
for line in text.split('\n'): # Wn을 기준으로 문장 토큰화
    encoded = t.texts_to_sequences([line])[0]
    for i in range(1, len(encoded)):
        sequence = encoded[:i+1]
        sequences.append(sequence)

print('학습에 사용할 샘플의 개수: %d' % len(sequences))
print(sequences)

학습에 사용할 샘플의 개수: 11
[[2, 3], [2, 3, 1], [2, 3, 1, 4], [2, 3, 1, 4, 5], [6, 1], [6, 1, 7], [8, 1], [8, 1, 9], [8, 1, 9, 10], [8, 1, 9, 10, 1], [8, 1, 9, 10, 1, 11]]

In [ ]:

# 패딩
max_len=max(len(l) for l in sequences) # 모든 샘플에서 길이가 가장 긴 샘플의 길이 출력
print('샘플의 최대 길이 : {}'.format(max_len))
sequences = pad_sequences(sequences, maxlen=max_len, padding='pre')
print(sequences)

샘플의 최대 길이 : 6
[[ 0  0  0  0  2  3]
 [ 0  0  0  2  3  1]
 [ 0  0  2  3  1  4]
 [ 0  2  3  1  4  5]
 [ 0  0  0  0  6  1]
 [ 0  0  0  6  1  7]
 [ 0  0  0  0  8  1]
 [ 0  0  0  8  1  9]
 [ 0  0  8  1  9 10]
 [ 0  8  1  9 10  1]
 [ 8  1  9 10  1 11]]

In [ ]:

# 레이블 분리
sequences = np.array(sequences)
X = sequences[:,:-1]
y = sequences[:,-1]
# 리스트의 마지막 값을 제외하고 저장한 것은 X
# 리스트의 마지막 값만 저장한 것은 y. 이는 레이블에 해당됨.
print(X)
print(y) # 있는 말이 뛰고 있다 말이 법이다 말이 고와야 오는 말이 곱다

[[ 0  0  0  0  2]
 [ 0  0  0  2  3]
 [ 0  0  2  3  1]
 [ 0  2  3  1  4]
 [ 0  0  0  0  6]
 [ 0  0  0  6  1]
 [ 0  0  0  0  8]
 [ 0  0  0  8  1]
 [ 0  0  8  1  9]
 [ 0  8  1  9 10]
 [ 8  1  9 10  1]]
[ 3  1  4  5  1  7  1  9 10  1 11]

In [ ]:

# 원핫 인코딩
y = to_categorical(y, num_classes=vocab_size)
print(y)

[[0. 0. 0. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.]
 [0. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.]
 [0. 0. 0. 0. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.]
 [0. 0. 0. 0. 0. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0.]
 [0. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.]
 [0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 1. 0. 0. 0. 0.]
 [0. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.]
 [0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 1. 0. 0.]
 [0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 1. 0.]
 [0. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.]
 [0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 1.]]

[[0. 0. 0. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.] # 3에 대한 원-핫 벡터
 [0. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.] # 1에 대한 원-핫 벡터
 [0. 0. 0. 0. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.] # 4에 대한 원-핫 벡터
 [0. 0. 0. 0. 0. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0.] # 5에 대한 원-핫 벡터
 [0. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.] # 1에 대한 원-핫 벡터
 [0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 1. 0. 0. 0. 0.] # 7에 대한 원-핫 벡터
 [0. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.] # 1에 대한 원-핫 벡터
 [0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 1. 0. 0.] # 9에 대한 원-핫 벡터
 [0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 1. 0.] # 10에 대한 원-핫 벡터
 [0. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.] # 1에 대한 원-핫 벡터
 [0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 1.]] # 11에 대한 원-핫 벡터

모델 설계하기¶

In [ ]:

from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Embedding, Dense, SimpleRNN

model = Sequential()
model.add(Embedding(vocab_size, 10, input_length=max_len-1)) # 레이블을 분리하였으므로 이제 X의 길이는 5
model.add(SimpleRNN(32))
model.add(Dense(vocab_size, activation='softmax'))
model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])
model.fit(X, y, epochs=200, verbose=2)

Epoch 1/200
1/1 - 0s - loss: 2.5012 - accuracy: 0.0909
Epoch 2/200
1/1 - 0s - loss: 2.4883 - accuracy: 0.0909
Epoch 3/200
1/1 - 0s - loss: 2.4756 - accuracy: 0.1818
Epoch 4/200
1/1 - 0s - loss: 2.4628 - accuracy: 0.3636
Epoch 5/200
1/1 - 0s - loss: 2.4499 - accuracy: 0.3636
Epoch 6/200
1/1 - 0s - loss: 2.4368 - accuracy: 0.3636
Epoch 7/200
1/1 - 0s - loss: 2.4233 - accuracy: 0.3636
Epoch 8/200
1/1 - 0s - loss: 2.4095 - accuracy: 0.4545
Epoch 9/200
1/1 - 0s - loss: 2.3952 - accuracy: 0.5455
Epoch 10/200
1/1 - 0s - loss: 2.3804 - accuracy: 0.5455
Epoch 11/200
1/1 - 0s - loss: 2.3650 - accuracy: 0.5455
Epoch 12/200
1/1 - 0s - loss: 2.3491 - accuracy: 0.5455
Epoch 13/200
1/1 - 0s - loss: 2.3325 - accuracy: 0.4545
Epoch 14/200
1/1 - 0s - loss: 2.3152 - accuracy: 0.4545
Epoch 15/200
1/1 - 0s - loss: 2.2971 - accuracy: 0.4545
Epoch 16/200
1/1 - 0s - loss: 2.2783 - accuracy: 0.4545
Epoch 17/200
1/1 - 0s - loss: 2.2587 - accuracy: 0.4545
Epoch 18/200
1/1 - 0s - loss: 2.2384 - accuracy: 0.4545
Epoch 19/200
1/1 - 0s - loss: 2.2173 - accuracy: 0.3636
Epoch 20/200
1/1 - 0s - loss: 2.1955 - accuracy: 0.3636
Epoch 21/200
1/1 - 0s - loss: 2.1731 - accuracy: 0.3636
Epoch 22/200
1/1 - 0s - loss: 2.1502 - accuracy: 0.3636
Epoch 23/200
1/1 - 0s - loss: 2.1270 - accuracy: 0.3636
Epoch 24/200
1/1 - 0s - loss: 2.1035 - accuracy: 0.3636
Epoch 25/200
1/1 - 0s - loss: 2.0800 - accuracy: 0.3636
Epoch 26/200
1/1 - 0s - loss: 2.0567 - accuracy: 0.3636
Epoch 27/200
1/1 - 0s - loss: 2.0337 - accuracy: 0.3636
Epoch 28/200
1/1 - 0s - loss: 2.0114 - accuracy: 0.3636
Epoch 29/200
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Epoch 200/200
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Out[ ]:

<tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7f89b39bf828>

In [ ]:

def sentence_generation(model, t, current_word, n): # 모델, 토크나이저, 현재 단어, 반복할 횟수
    init_word = current_word # 처음 들어온 단어도 마지막에 같이 출력하기위해 저장
    sentence = ''
    for _ in range(n): # n번 반복
        encoded = t.texts_to_sequences([current_word])[0] # 현재 단어에 대한 정수 인코딩
        encoded = pad_sequences([encoded], maxlen=5, padding='pre') # 데이터에 대한 패딩
        result = model.predict_classes(encoded, verbose=0)
    # 입력한 X(현재 단어)에 대해서 Y를 예측하고 Y(예측한 단어)를 result에 저장.
        for word, index in t.word_index.items(): 
            if index == result: # 만약 예측한 단어와 인덱스와 동일한 단어가 있다면
                break # 해당 단어가 예측 단어이므로 break
        current_word = current_word + ' '  + word # 현재 단어 + ' ' + 예측 단어를 현재 단어로 변경
        sentence = sentence + ' ' + word # 예측 단어를 문장에 저장
    # for문이므로 이 행동을 다시 반복
    sentence = init_word + sentence
    return sentence

print(sentence_generation(model, t, '경마장에', 4)) # '경마장에' 라는 단어 뒤에는 총 4개의 단어가 있으므로 4번 예측
print(sentence_generation(model, t, '그의', 2)) # 2번 예측
print(sentence_generation(model, t, '가는', 5)) # 5번 예측

경마장에 있는 말이 뛰고 있다
그의 말이 법이다
가는 말이 고와야 오는 말이 곱다

LSTM을 이용한 텍스트 생성¶

데이터에 대한 이해와 전처리¶

In [ ]:

import pandas as pd
from string import punctuation
from tensorflow.keras.preprocessing.text import Tokenizer
from tensorflow.keras.preprocessing.sequence import pad_sequences
import numpy as np
from tensorflow.keras.utils import to_categorical

# 뉴욕타임즈 기사의 제목
df = pd.read_csv('/content/datasets_19447_31436_ArticlesApril2018.csv')
df.head()

Out[ ]:

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0	5adf6684068401528a2aa69b	781	By JOHN BRANCH	article	Former N.F.L. Cheerleaders’ Settlement Offer: ...	['Workplace Hazards and Violations', 'Football...	68	Sports	2018-04-24 17:16:49	Pro Football	“I understand that they could meet with us, pa...	The New York Times	News	https://www.nytimes.com/2018/04/24/sports/foot...
1	5adf653f068401528a2aa697	656	By LISA FRIEDMAN	article	E.P.A. to Unveil a New Rule. Its Effect: Less ...	['Environmental Protection Agency', 'Pruitt, S...	68	Climate	2018-04-24 17:11:21	Unknown	The agency plans to publish a new regulation T...	The New York Times	News	https://www.nytimes.com/2018/04/24/climate/epa...
2	5adf4626068401528a2aa628	2427	By PETE WELLS	article	The New Noma, Explained	['Restaurants', 'Noma (Copenhagen, Restaurant)...	66	Dining	2018-04-24 14:58:44	Unknown	What’s it like to eat at the second incarnatio...	The New York Times	News	https://www.nytimes.com/2018/04/24/dining/noma...
3	5adf40d2068401528a2aa619	626	By JULIE HIRSCHFELD DAVIS and PETER BAKER	article	Unknown	['Macron, Emmanuel (1977- )', 'Trump, Donald J...	68	Washington	2018-04-24 14:35:57	Europe	President Trump welcomed President Emmanuel Ma...	The New York Times	News	https://www.nytimes.com/2018/04/24/world/europ...
4	5adf3d64068401528a2aa60f	815	By IAN AUSTEN and DAN BILEFSKY	article	Unknown	['Toronto, Ontario, Attack (April, 2018)', 'Mu...	68	Foreign	2018-04-24 14:21:21	Canada	Alek Minassian, 25, a resident of Toronto’s Ri...	The New York Times	News	https://www.nytimes.com/2018/04/24/world/canad...

In [ ]:

print('열의 개수: ',len(df.columns))
print(df.columns)

열의 개수:  15
Index(['articleID', 'articleWordCount', 'byline', 'documentType', 'headline',
       'keywords', 'multimedia', 'newDesk', 'printPage', 'pubDate',
       'sectionName', 'snippet', 'source', 'typeOfMaterial', 'webURL'],
      dtype='object')

In [ ]:

# headline 열에서 NULL이 있는지 확인 False면 NULL이 없는 거.
df['headline'].isnull().values.any()

Out[ ]:

False

In [ ]:

headline = [] # 리스트 선언
headline.extend(list(df.headline.values)) # 헤드라인의 값들을 리스트로 저장
headline[:5] # 상위 5개만 출력

Out[ ]:

['Former N.F.L. Cheerleaders’ Settlement Offer: $1 and a Meeting With Goodell',
 'E.P.A. to Unveil a New Rule. Its Effect: Less Science in Policymaking.',
 'The New Noma, Explained',
 'Unknown',
 'Unknown']

In [ ]:

print('총 샘플의 개수 : {}'.format(len(headline)))

총 샘플의 개수 : 1324

In [ ]:

headline = [n for n in headline if n != "Unknown"] # Unknown 값을 가진 샘플 제거
print('노이즈값 제거 후 샘플의 개수 : {}'.format(len(headline))) # 제거 후 샘플의 개수

노이즈값 제거 후 샘플의 개수 : 1214

In [ ]:

headline[:5]

Out[ ]:

['Former N.F.L. Cheerleaders’ Settlement Offer: $1 and a Meeting With Goodell',
 'E.P.A. to Unveil a New Rule. Its Effect: Less Science in Policymaking.',
 'The New Noma, Explained',
 'How a Bag of Texas Dirt  Became a Times Tradition',
 'Is School a Place for Self-Expression?']

In [ ]:

# 데이터 전처리
def repreprocessing(s):
    s=s.encode("utf8").decode("ascii",'ignore')
    return ''.join(c for c in s if c not in punctuation).lower() # 구두점 제거와 동시에 소문자화

text = [repreprocessing(x) for x in headline]
text[:5]

Out[ ]:

['former nfl cheerleaders settlement offer 1 and a meeting with goodell',
 'epa to unveil a new rule its effect less science in policymaking',
 'the new noma explained',
 'how a bag of texas dirt  became a times tradition',
 'is school a place for selfexpression']

In [ ]:

# 단어집합 생성
t = Tokenizer()
t.fit_on_texts(text)
vocab_size = len(t.word_index) + 1
print('단어 집합의 크기 : %d' % vocab_size)

단어 집합의 크기 : 3494

In [ ]:

# 정수인코딩, 하나의 문장을 여러 줄로 분해하여 훈련데이터 구성
sequences = list()

for line in text: # 1,214 개의 샘플에 대해서 샘플을 1개씩 가져온다.
    encoded = t.texts_to_sequences([line])[0] # 각 샘플에 대한 정수 인코딩
    for i in range(1, len(encoded)):
        sequence = encoded[:i+1]
        sequences.append(sequence)

sequences[:11] # 11개의 샘플 출력

Out[ ]:

[[99, 269],
 [99, 269, 371],
 [99, 269, 371, 1115],
 [99, 269, 371, 1115, 582],
 [99, 269, 371, 1115, 582, 52],
 [99, 269, 371, 1115, 582, 52, 7],
 [99, 269, 371, 1115, 582, 52, 7, 2],
 [99, 269, 371, 1115, 582, 52, 7, 2, 372],
 [99, 269, 371, 1115, 582, 52, 7, 2, 372, 10],
 [99, 269, 371, 1115, 582, 52, 7, 2, 372, 10, 1116],
 [100, 3]]

[[99, 269], # former nfl
 [99, 269, 371], # former nfl cheerleaders
 [99, 269, 371, 1115], # former nfl cheerleaders settlement
 [99, 269, 371, 1115, 582], # former nfl cheerleaders settlement offer
 [99, 269, 371, 1115, 582, 52], # 'former nfl cheerleaders settlement offer 1
 [99, 269, 371, 1115, 582, 52, 7], # former nfl cheerleaders settlement offer 1 and
 [99, 269, 371, 1115, 582, 52, 7, 2], # ... 이하 생략 ...
 [99, 269, 371, 1115, 582, 52, 7, 2, 372],
 [99, 269, 371, 1115, 582, 52, 7, 2, 372, 10],
 [99, 269, 371, 1115, 582, 52, 7, 2, 372, 10, 1116], # 모든 단어가 사용된 완전한 첫번째 문장
 # 바로 위의 줄 : former nfl cheerleaders settlement offer 1 and a meeting with goodell
 [100, 3]] # epa to에 해당되며 두번째 문장이 시작됨.

In [ ]:

# 결과값을 비교하기 위한 정답리스트 생성
index_to_word={}
for key, value in t.word_index.items(): # 인덱스를 단어로 바꾸기 위해 index_to_word를 생성
    index_to_word[value] = key

print('빈도수 상위 582번 단어 : {}'.format(index_to_word[582]))

빈도수 상위 582번 단어 : offer

In [ ]:

# 패딩
max_len=max(len(l) for l in sequences)
print('샘플의 최대 길이 : {}'.format(max_len))

sequences = pad_sequences(sequences, maxlen=max_len, padding='pre')
print(sequences[:3])

샘플의 최대 길이 : 24
[[   0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0
     0    0    0    0    0    0    0    0   99  269]
 [   0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0
     0    0    0    0    0    0    0   99  269  371]
 [   0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0
     0    0    0    0    0    0   99  269  371 1115]]

In [ ]:

# 맨 우측 단어만 레이블로 분리
sequences = np.array(sequences)
X = sequences[:,:-1]
y = sequences[:,-1]
print(X[:3])
print(y[:3])

[[  0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0
    0   0   0   0  99]
 [  0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0
    0   0   0  99 269]
 [  0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0
    0   0  99 269 371]]
[ 269  371 1115]

In [ ]:

# 원핫 인코딩
y = to_categorical(y, num_classes=vocab_size)

모델 설계하기¶

In [ ]:

from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Embedding, Dense, LSTM

model = Sequential()
model.add(Embedding(vocab_size, 10, input_length=max_len-1))
# y데이터를 분리하였으므로 이제 X데이터의 길이는 기존 데이터의 길이 - 1
model.add(LSTM(128))
model.add(Dense(vocab_size, activation='softmax'))
model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])
model.fit(X, y, epochs=200, verbose=2)

Epoch 1/200
244/244 - 8s - loss: 7.6567 - accuracy: 0.0268
Epoch 2/200
244/244 - 8s - loss: 7.1273 - accuracy: 0.0308
Epoch 3/200
244/244 - 7s - loss: 6.9912 - accuracy: 0.0326
Epoch 4/200
244/244 - 7s - loss: 6.8772 - accuracy: 0.0391
Epoch 5/200
244/244 - 7s - loss: 6.7508 - accuracy: 0.0433
Epoch 6/200
244/244 - 7s - loss: 6.5997 - accuracy: 0.0460
Epoch 7/200
244/244 - 7s - loss: 6.4308 - accuracy: 0.0495
Epoch 8/200
244/244 - 7s - loss: 6.2386 - accuracy: 0.0542
Epoch 9/200
244/244 - 7s - loss: 6.0448 - accuracy: 0.0573
Epoch 10/200
244/244 - 7s - loss: 5.8539 - accuracy: 0.0610
Epoch 11/200
244/244 - 7s - loss: 5.6696 - accuracy: 0.0654
Epoch 12/200
244/244 - 7s - loss: 5.4941 - accuracy: 0.0752
Epoch 13/200
244/244 - 7s - loss: 5.3296 - accuracy: 0.0788
Epoch 14/200
244/244 - 7s - loss: 5.1784 - accuracy: 0.0788
Epoch 15/200
244/244 - 7s - loss: 5.0258 - accuracy: 0.0929
Epoch 16/200
244/244 - 7s - loss: 4.8838 - accuracy: 0.0969
Epoch 17/200
244/244 - 7s - loss: 4.7489 - accuracy: 0.1084
Epoch 18/200
244/244 - 7s - loss: 4.6216 - accuracy: 0.1234
Epoch 19/200
244/244 - 7s - loss: 4.4997 - accuracy: 0.1396
Epoch 20/200
244/244 - 7s - loss: 4.3785 - accuracy: 0.1507
Epoch 21/200
244/244 - 7s - loss: 4.2630 - accuracy: 0.1672
Epoch 22/200
244/244 - 7s - loss: 4.1519 - accuracy: 0.1880
Epoch 23/200
244/244 - 7s - loss: 4.0419 - accuracy: 0.2047
Epoch 24/200
244/244 - 7s - loss: 3.9346 - accuracy: 0.2185
Epoch 25/200
244/244 - 7s - loss: 3.8341 - accuracy: 0.2336
Epoch 26/200
244/244 - 7s - loss: 3.7338 - accuracy: 0.2570
Epoch 27/200
244/244 - 7s - loss: 3.6395 - accuracy: 0.2681
Epoch 28/200
244/244 - 7s - loss: 3.5421 - accuracy: 0.2881
Epoch 29/200
244/244 - 7s - loss: 3.4536 - accuracy: 0.3085
Epoch 30/200
244/244 - 8s - loss: 3.3668 - accuracy: 0.3215
Epoch 31/200
244/244 - 7s - loss: 3.2832 - accuracy: 0.3333
Epoch 32/200
244/244 - 7s - loss: 3.2039 - accuracy: 0.3505
Epoch 33/200
244/244 - 7s - loss: 3.1250 - accuracy: 0.3691
Epoch 34/200
244/244 - 7s - loss: 3.0489 - accuracy: 0.3836
Epoch 35/200
244/244 - 7s - loss: 2.9771 - accuracy: 0.3969
Epoch 36/200
244/244 - 7s - loss: 2.9084 - accuracy: 0.4084
Epoch 37/200
244/244 - 7s - loss: 2.8380 - accuracy: 0.4180
Epoch 38/200
244/244 - 7s - loss: 2.7728 - accuracy: 0.4356
Epoch 39/200
244/244 - 7s - loss: 2.7109 - accuracy: 0.4409
Epoch 40/200
244/244 - 7s - loss: 2.6484 - accuracy: 0.4576
Epoch 41/200
244/244 - 7s - loss: 2.5914 - accuracy: 0.4641
Epoch 42/200
244/244 - 7s - loss: 2.5323 - accuracy: 0.4744
Epoch 43/200
244/244 - 7s - loss: 2.4806 - accuracy: 0.4889
Epoch 44/200
244/244 - 7s - loss: 2.4263 - accuracy: 0.4998
Epoch 45/200
244/244 - 8s - loss: 2.3710 - accuracy: 0.5116
Epoch 46/200
244/244 - 7s - loss: 2.3195 - accuracy: 0.5185
Epoch 47/200
244/244 - 7s - loss: 2.2706 - accuracy: 0.5290
Epoch 48/200
244/244 - 7s - loss: 2.2203 - accuracy: 0.5415
Epoch 49/200

---------------------------------------------------------------------------
KeyboardInterrupt                         Traceback (most recent call last)
<ipython-input-16-50a8ce36e604> in <module>()
      8 model.add(Dense(vocab_size, activation='softmax'))
      9 model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])
---> 10 model.fit(X, y, epochs=200, verbose=2)

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/keras/engine/training.py in _method_wrapper(self, *args, **kwargs)
    106   def _method_wrapper(self, *args, **kwargs):
    107     if not self._in_multi_worker_mode():  # pylint: disable=protected-access
--> 108       return method(self, *args, **kwargs)
    109 
    110     # Running inside `run_distribute_coordinator` already.

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/keras/engine/training.py in fit(self, x, y, batch_size, epochs, verbose, callbacks, validation_split, validation_data, shuffle, class_weight, sample_weight, initial_epoch, steps_per_epoch, validation_steps, validation_batch_size, validation_freq, max_queue_size, workers, use_multiprocessing)
   1096                 batch_size=batch_size):
   1097               callbacks.on_train_batch_begin(step)
-> 1098               tmp_logs = train_function(iterator)
   1099               if data_handler.should_sync:
   1100                 context.async_wait()

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/def_function.py in __call__(self, *args, **kwds)
    778       else:
    779         compiler = "nonXla"
--> 780         result = self._call(*args, **kwds)
    781 
    782       new_tracing_count = self._get_tracing_count()

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/def_function.py in _call(self, *args, **kwds)
    805       # In this case we have created variables on the first call, so we run the
    806       # defunned version which is guaranteed to never create variables.
--> 807       return self._stateless_fn(*args, **kwds)  # pylint: disable=not-callable
    808     elif self._stateful_fn is not None:
    809       # Release the lock early so that multiple threads can perform the call

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/function.py in __call__(self, *args, **kwargs)
   2827     with self._lock:
   2828       graph_function, args, kwargs = self._maybe_define_function(args, kwargs)
-> 2829     return graph_function._filtered_call(args, kwargs)  # pylint: disable=protected-access
   2830 
   2831   @property

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/function.py in _filtered_call(self, args, kwargs, cancellation_manager)
   1846                            resource_variable_ops.BaseResourceVariable))],
   1847         captured_inputs=self.captured_inputs,
-> 1848         cancellation_manager=cancellation_manager)
   1849 
   1850   def _call_flat(self, args, captured_inputs, cancellation_manager=None):

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/function.py in _call_flat(self, args, captured_inputs, cancellation_manager)
   1922       # No tape is watching; skip to running the function.
   1923       return self._build_call_outputs(self._inference_function.call(
-> 1924           ctx, args, cancellation_manager=cancellation_manager))
   1925     forward_backward = self._select_forward_and_backward_functions(
   1926         args,

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/function.py in call(self, ctx, args, cancellation_manager)
    548               inputs=args,
    549               attrs=attrs,
--> 550               ctx=ctx)
    551         else:
    552           outputs = execute.execute_with_cancellation(

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/execute.py in quick_execute(op_name, num_outputs, inputs, attrs, ctx, name)
     58     ctx.ensure_initialized()
     59     tensors = pywrap_tfe.TFE_Py_Execute(ctx._handle, device_name, op_name,
---> 60                                         inputs, attrs, num_outputs)
     61   except core._NotOkStatusException as e:
     62     if name is not None:

KeyboardInterrupt:

In [ ]:

def sentence_generation(model, t, current_word, n): # 모델, 토크나이저, 현재 단어, 반복할 횟수
    init_word = current_word # 처음 들어온 단어도 마지막에 같이 출력하기위해 저장
    sentence = ''
    for _ in range(n): # n번 반복
        encoded = t.texts_to_sequences([current_word])[0] # 현재 단어에 대한 정수 인코딩
        encoded = pad_sequences([encoded], maxlen=23, padding='pre') # 데이터에 대한 패딩
        result = model.predict_classes(encoded, verbose=0)
    # 입력한 X(현재 단어)에 대해서 y를 예측하고 y(예측한 단어)를 result에 저장.
        for word, index in t.word_index.items(): 
            if index == result: # 만약 예측한 단어와 인덱스와 동일한 단어가 있다면
                break # 해당 단어가 예측 단어이므로 break
        current_word = current_word + ' '  + word # 현재 단어 + ' ' + 예측 단어를 현재 단어로 변경
        sentence = sentence + ' ' + word # 예측 단어를 문장에 저장
    # for문이므로 이 행동을 다시 반복
    sentence = init_word + sentence
    return sentence

print(sentence_generation(model, t, 'i', 10)) # 임의의 단어 'i'에 대해서 10개의 단어를 추가 생성

print(sentence_generation(model, t, 'how', 10)) # 임의의 단어 'how'에 대해서 10개의 단어를 추가 생성

i will threatens how as a marriage is a sudden plunge
how the heck is that abou is a navy denied him

글자단위 RNN(Char RNN)¶

지금까지 살펴본 RNN의 입출력 단위는 단어벡터였음. 이 단위를 글자 레벨로 변경하여 RNN을 구현할 수 있음.

글자단위 RNN 언어모델 (Char RNNLM)¶

In [ ]:

import numpy as np
import urllib.request
from tensorflow.keras.utils import to_categorical

urllib.request.urlretrieve("http://www.gutenberg.org/files/11/11-0.txt", filename="11-0.txt")
f = open('11-0.txt', 'rb')
lines=[]
for line in f: # 데이터를 한 줄씩 읽는다.
    line=line.strip() # strip()을 통해 \r, \n을 제거한다.
    line=line.lower() # 소문자화.
    line=line.decode('ascii', 'ignore') # \xe2\x80\x99 등과 같은 바이트 열 제거
    if len(line) > 0:
        lines.append(line)
f.close()

In [ ]:

lines[:5]

Out[ ]:

['the project gutenberg ebook of alices adventures in wonderland, by lewis carroll',
 'this ebook is for the use of anyone anywhere at no cost and with',
 'almost no restrictions whatsoever.  you may copy it, give it away or',
 're-use it under the terms of the project gutenberg license included',
 'with this ebook or online at www.gutenberg.org']

In [ ]:

# 하나의 문자열로 통합
text = ' '.join(lines)
print('문자열의 길이 또는 총 글자의 개수: %d' % len(text))
print(text[:200])

문자열의 길이 또는 총 글자의 개수: 159612
the project gutenberg ebook of alices adventures in wonderland, by lewis carroll this ebook is for the use of anyone anywhere at no cost and with almost no restrictions whatsoever.  you may copy it, g

In [ ]:

# 글자집합 생성
char_vocab = sorted(list(set(text)))
vocab_size=len(char_vocab)
print ('글자 집합의 크기 : {}'.format(vocab_size))

글자 집합의 크기 : 57

In [ ]:

char_to_index = dict((c, i) for i, c in enumerate(char_vocab)) # 글자에 고유한 정수 인덱스 부여
print(char_to_index)

{' ': 0, '!': 1, '"': 2, '#': 3, '$': 4, '%': 5, "'": 6, '(': 7, ')': 8, '*': 9, ',': 10, '-': 11, '.': 12, '/': 13, '0': 14, '1': 15, '2': 16, '3': 17, '4': 18, '5': 19, '6': 20, '7': 21, '8': 22, '9': 23, ':': 24, ';': 25, '?': 26, '@': 27, '[': 28, ']': 29, '_': 30, 'a': 31, 'b': 32, 'c': 33, 'd': 34, 'e': 35, 'f': 36, 'g': 37, 'h': 38, 'i': 39, 'j': 40, 'k': 41, 'l': 42, 'm': 43, 'n': 44, 'o': 45, 'p': 46, 'q': 47, 'r': 48, 's': 49, 't': 50, 'u': 51, 'v': 52, 'w': 53, 'x': 54, 'y': 55, 'z': 56}

In [ ]:

# 결과값과 비교하기 위해 인덱스로 글자를 반환하는 index_to_char 생성
index_to_char={}
for key, value in char_to_index.items():
    index_to_char[value] = key

# Example) 샘플의 길이가 4라면 4개의 입력 글자 시퀀스로 부터 4개의 출력 글자 시퀀스를 예측. 즉, RNN의 time step은 4번
appl -> pple
# appl은 train_X(입력 시퀀스), pple는 train_y(예측해야하는 시퀀스)에 저장한다.

In [ ]:

seq_length = 60 # 문장의 길이를 60으로 한다.
n_samples = int(np.floor((len(text) - 1) / seq_length)) # 문자열을 60등분한다. 그러면 즉, 총 샘플의 개수
print ('문장 샘플의 수 : {}'.format(n_samples))

문장 샘플의 수 : 2660

In [ ]:

train_X = []
train_y = []

for i in range(n_samples): # 2,646번 수행
    X_sample = text[i * seq_length: (i + 1) * seq_length]
    # 0:60 -> 60:120 -> 120:180로 loop를 돌면서 문장 샘플을 1개씩 가져온다.
    X_encoded = [char_to_index[c] for c in X_sample] # 하나의 문장 샘플에 대해서 정수 인코딩
    train_X.append(X_encoded)

    y_sample = text[i * seq_length + 1: (i + 1) * seq_length + 1] # 오른쪽으로 1칸 쉬프트한다.
    y_encoded = [char_to_index[c] for c in y_sample]
    train_y.append(y_encoded)

In [ ]:

print(train_X[0])
print(train_y[0])

[50, 38, 35, 0, 46, 48, 45, 40, 35, 33, 50, 0, 37, 51, 50, 35, 44, 32, 35, 48, 37, 0, 35, 32, 45, 45, 41, 0, 45, 36, 0, 31, 42, 39, 33, 35, 49, 0, 31, 34, 52, 35, 44, 50, 51, 48, 35, 49, 0, 39, 44, 0, 53, 45, 44, 34, 35, 48, 42, 31]
[38, 35, 0, 46, 48, 45, 40, 35, 33, 50, 0, 37, 51, 50, 35, 44, 32, 35, 48, 37, 0, 35, 32, 45, 45, 41, 0, 45, 36, 0, 31, 42, 39, 33, 35, 49, 0, 31, 34, 52, 35, 44, 50, 51, 48, 35, 49, 0, 39, 44, 0, 53, 45, 44, 34, 35, 48, 42, 31, 44]

In [ ]:

print(train_X[1])
print(train_y[1])

[44, 34, 10, 0, 32, 55, 0, 42, 35, 53, 39, 49, 0, 33, 31, 48, 48, 45, 42, 42, 0, 50, 38, 39, 49, 0, 35, 32, 45, 45, 41, 0, 39, 49, 0, 36, 45, 48, 0, 50, 38, 35, 0, 51, 49, 35, 0, 45, 36, 0, 31, 44, 55, 45, 44, 35, 0, 31, 44, 55]
[34, 10, 0, 32, 55, 0, 42, 35, 53, 39, 49, 0, 33, 31, 48, 48, 45, 42, 42, 0, 50, 38, 39, 49, 0, 35, 32, 45, 45, 41, 0, 39, 49, 0, 36, 45, 48, 0, 50, 38, 35, 0, 51, 49, 35, 0, 45, 36, 0, 31, 44, 55, 45, 44, 35, 0, 31, 44, 55, 53]

In [ ]:

# 원핫 인코딩
train_X = to_categorical(train_X)
train_y = to_categorical(train_y)

print('train_X의 크기(shape) : {}'.format(train_X.shape)) # 원-핫 인코딩
print('train_y의 크기(shape) : {}'.format(train_y.shape)) # 원-핫 인코딩

train_X의 크기(shape) : (2660, 60, 57)
train_y의 크기(shape) : (2660, 60, 57)

모델 설계하기¶

In [ ]:

from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Dense, LSTM, TimeDistributed

model = Sequential()
model.add(LSTM(256, input_shape=(None, train_X.shape[2]), return_sequences=True))
model.add(LSTM(256, return_sequences=True))
model.add(TimeDistributed(Dense(vocab_size, activation='softmax')))

model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])
model.fit(train_X, train_y, epochs=80, verbose=2)

Epoch 1/80
84/84 - 47s - loss: 3.0822 - accuracy: 0.1806
Epoch 2/80
84/84 - 48s - loss: 2.7466 - accuracy: 0.2467
Epoch 3/80

---------------------------------------------------------------------------
KeyboardInterrupt                         Traceback (most recent call last)
<ipython-input-12-3feed3cec92c> in <module>()
      8 
      9 model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])
---> 10 model.fit(train_X, train_y, epochs=80, verbose=2)

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/keras/engine/training.py in _method_wrapper(self, *args, **kwargs)
    106   def _method_wrapper(self, *args, **kwargs):
    107     if not self._in_multi_worker_mode():  # pylint: disable=protected-access
--> 108       return method(self, *args, **kwargs)
    109 
    110     # Running inside `run_distribute_coordinator` already.

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/keras/engine/training.py in fit(self, x, y, batch_size, epochs, verbose, callbacks, validation_split, validation_data, shuffle, class_weight, sample_weight, initial_epoch, steps_per_epoch, validation_steps, validation_batch_size, validation_freq, max_queue_size, workers, use_multiprocessing)
   1096                 batch_size=batch_size):
   1097               callbacks.on_train_batch_begin(step)
-> 1098               tmp_logs = train_function(iterator)
   1099               if data_handler.should_sync:
   1100                 context.async_wait()

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/def_function.py in __call__(self, *args, **kwds)
    778       else:
    779         compiler = "nonXla"
--> 780         result = self._call(*args, **kwds)
    781 
    782       new_tracing_count = self._get_tracing_count()

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/def_function.py in _call(self, *args, **kwds)
    805       # In this case we have created variables on the first call, so we run the
    806       # defunned version which is guaranteed to never create variables.
--> 807       return self._stateless_fn(*args, **kwds)  # pylint: disable=not-callable
    808     elif self._stateful_fn is not None:
    809       # Release the lock early so that multiple threads can perform the call

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/function.py in __call__(self, *args, **kwargs)
   2827     with self._lock:
   2828       graph_function, args, kwargs = self._maybe_define_function(args, kwargs)
-> 2829     return graph_function._filtered_call(args, kwargs)  # pylint: disable=protected-access
   2830 
   2831   @property

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/function.py in _filtered_call(self, args, kwargs, cancellation_manager)
   1846                            resource_variable_ops.BaseResourceVariable))],
   1847         captured_inputs=self.captured_inputs,
-> 1848         cancellation_manager=cancellation_manager)
   1849 
   1850   def _call_flat(self, args, captured_inputs, cancellation_manager=None):

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/function.py in _call_flat(self, args, captured_inputs, cancellation_manager)
   1922       # No tape is watching; skip to running the function.
   1923       return self._build_call_outputs(self._inference_function.call(
-> 1924           ctx, args, cancellation_manager=cancellation_manager))
   1925     forward_backward = self._select_forward_and_backward_functions(
   1926         args,

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/function.py in call(self, ctx, args, cancellation_manager)
    548               inputs=args,
    549               attrs=attrs,
--> 550               ctx=ctx)
    551         else:
    552           outputs = execute.execute_with_cancellation(

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/execute.py in quick_execute(op_name, num_outputs, inputs, attrs, ctx, name)
     58     ctx.ensure_initialized()
     59     tensors = pywrap_tfe.TFE_Py_Execute(ctx._handle, device_name, op_name,
---> 60                                         inputs, attrs, num_outputs)
     61   except core._NotOkStatusException as e:
     62     if name is not None:

KeyboardInterrupt:

In [ ]:

model.summary()

Model: "sequential"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
lstm (LSTM)                  (None, None, 256)         321536    
_________________________________________________________________
lstm_1 (LSTM)                (None, None, 256)         525312    
_________________________________________________________________
time_distributed (TimeDistri (None, None, 57)          14649     
=================================================================
Total params: 861,497
Trainable params: 861,497
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

In [ ]:

def sentence_generation(model, length):
    ix = [np.random.randint(vocab_size)] # 글자에 대한 랜덤 인덱스 생성
    y_char = [index_to_char[ix[-1]]] # 랜덤 익덱스로부터 글자 생성
    print(ix[-1],'번 글자',y_char[-1],'로 예측을 시작!')
    X = np.zeros((1, length, vocab_size)) # (1, length, 55) 크기의 X 생성. 즉, LSTM의 입력 시퀀스 생성

    for i in range(length):
        X[0][i][ix[-1]] = 1 # X[0][i][예측한 글자의 인덱스] = 1, 즉, 예측 글자를 다음 입력 시퀀스에 추가
        print(index_to_char[ix[-1]], end="")
        ix = np.argmax(model.predict(X[:, :i+1, :])[0], 1)
        y_char.append(index_to_char[ix[-1]])
    return ('').join(y_char)

sentence_generation(model, 100)

37 번 글자 g 로 예측을 시작!
g at the the the the the the the the the the t

---------------------------------------------------------------------------
KeyboardInterrupt                         Traceback (most recent call last)
<ipython-input-14-084bbdc7c9ea> in <module>()
     12     return ('').join(y_char)
     13 
---> 14 sentence_generation(model, 100)

<ipython-input-14-084bbdc7c9ea> in sentence_generation(model, length)
      8         X[0][i][ix[-1]] = 1 # X[0][i][예측한 글자의 인덱스] = 1, 즉, 예측 글자를 다음 입력 시퀀스에 추가
      9         print(index_to_char[ix[-1]], end="")
---> 10         ix = np.argmax(model.predict(X[:, :i+1, :])[0], 1)
     11         y_char.append(index_to_char[ix[-1]])
     12     return ('').join(y_char)

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/keras/engine/training.py in _method_wrapper(self, *args, **kwargs)
    128       raise ValueError('{} is not supported in multi-worker mode.'.format(
    129           method.__name__))
--> 130     return method(self, *args, **kwargs)
    131 
    132   return tf_decorator.make_decorator(

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/keras/engine/training.py in predict(self, x, batch_size, verbose, steps, callbacks, max_queue_size, workers, use_multiprocessing)
   1597           for step in data_handler.steps():
   1598             callbacks.on_predict_batch_begin(step)
-> 1599             tmp_batch_outputs = predict_function(iterator)
   1600             if data_handler.should_sync:
   1601               context.async_wait()

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/def_function.py in __call__(self, *args, **kwds)
    778       else:
    779         compiler = "nonXla"
--> 780         result = self._call(*args, **kwds)
    781 
    782       new_tracing_count = self._get_tracing_count()

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/def_function.py in _call(self, *args, **kwds)
    812       # In this case we have not created variables on the first call. So we can
    813       # run the first trace but we should fail if variables are created.
--> 814       results = self._stateful_fn(*args, **kwds)
    815       if self._created_variables:
    816         raise ValueError("Creating variables on a non-first call to a function"

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/function.py in __call__(self, *args, **kwargs)
   2827     with self._lock:
   2828       graph_function, args, kwargs = self._maybe_define_function(args, kwargs)
-> 2829     return graph_function._filtered_call(args, kwargs)  # pylint: disable=protected-access
   2830 
   2831   @property

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/function.py in _filtered_call(self, args, kwargs, cancellation_manager)
   1846                            resource_variable_ops.BaseResourceVariable))],
   1847         captured_inputs=self.captured_inputs,
-> 1848         cancellation_manager=cancellation_manager)
   1849 
   1850   def _call_flat(self, args, captured_inputs, cancellation_manager=None):

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/function.py in _call_flat(self, args, captured_inputs, cancellation_manager)
   1922       # No tape is watching; skip to running the function.
   1923       return self._build_call_outputs(self._inference_function.call(
-> 1924           ctx, args, cancellation_manager=cancellation_manager))
   1925     forward_backward = self._select_forward_and_backward_functions(
   1926         args,

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/function.py in call(self, ctx, args, cancellation_manager)
    548               inputs=args,
    549               attrs=attrs,
--> 550               ctx=ctx)
    551         else:
    552           outputs = execute.execute_with_cancellation(

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/tensorflow/python/eager/execute.py in quick_execute(op_name, num_outputs, inputs, attrs, ctx, name)
     58     ctx.ensure_initialized()
     59     tensors = pywrap_tfe.TFE_Py_Execute(ctx._handle, device_name, op_name,
---> 60                                         inputs, attrs, num_outputs)
     61   except core._NotOkStatusException as e:
     62     if name is not None:

KeyboardInterrupt:

글자단위 RNN(Char RNN)으로 텍스트 생성하기¶

다 대 일 구조의 RNN을 글자단위로 학습시키고, 텍스트 생성.

In [ ]:

import numpy as np
from tensorflow.keras.utils import to_categorical

In [ ]:

text='''
I get on with life as a programmer,
I like to contemplate beer.
But when I start to daydream,
My mind turns straight to wine.

Do I love wine more than beer?

I like to use words about beer.
But when I stop my talking,
My mind turns straight to wine.

I hate bugs and errors.
But I just think back to wine,
And I'm happy once again.

I like to hang out with programming and deep learning.
But when left alone,
My mind turns straight to wine.
'''

tokens = text.split() # '\n 제거'
text = ' '.join(tokens)
print(text)

I get on with life as a programmer, I like to contemplate beer. But when I start to daydream, My mind turns straight to wine. Do I love wine more than beer? I like to use words about beer. But when I stop my talking, My mind turns straight to wine. I hate bugs and errors. But I just think back to wine, And I'm happy once again. I like to hang out with programming and deep learning. But when left alone, My mind turns straight to wine.

In [ ]:

char_vocab = sorted(list(set(text))) # 중복을 제거한 글자 집합 생성
print(char_vocab)
vocab_size=len(char_vocab)
print ('글자 집합의 크기 : {}'.format(vocab_size))

[' ', "'", ',', '.', '?', 'A', 'B', 'D', 'I', 'M', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h', 'i', 'j', 'k', 'l', 'm', 'n', 'o', 'p', 'r', 's', 't', 'u', 'v', 'w', 'y']
글자 집합의 크기 : 33

In [ ]:

char_to_index = dict((c, i) for i, c in enumerate(char_vocab)) # 글자에 고유한 정수 인덱스 부여
print(char_to_index)

{' ': 0, "'": 1, ',': 2, '.': 3, '?': 4, 'A': 5, 'B': 6, 'D': 7, 'I': 8, 'M': 9, 'a': 10, 'b': 11, 'c': 12, 'd': 13, 'e': 14, 'f': 15, 'g': 16, 'h': 17, 'i': 18, 'j': 19, 'k': 20, 'l': 21, 'm': 22, 'n': 23, 'o': 24, 'p': 25, 'r': 26, 's': 27, 't': 28, 'u': 29, 'v': 30, 'w': 31, 'y': 32}

# Example) 5개의 입력 글자 시퀀스로부터 다음 글자 시퀀스를 예측. 즉, RNN의 time step은 5번
stude -> n 
tuden -> t

In [ ]:

length = 11
sequences = []
for i in range(length, len(text)):
    seq = text[i-length:i] # 길이 11의 문자열을 지속적으로 만든다.
    sequences.append(seq)
print('총 훈련 샘플의 수: %d' % len(sequences))

총 훈련 샘플의 수: 426

In [ ]:

print(sequences[:10])
print(sequences[30:45])

['I get on wi', ' get on wit', 'get on with', 'et on with ', 't on with l', ' on with li', 'on with lif', 'n with life', ' with life ', 'with life a']
['mmer, I lik', 'mer, I like', 'er, I like ', 'r, I like t', ', I like to', ' I like to ', 'I like to c', ' like to co', 'like to con', 'ike to cont', 'ke to conte', 'e to contem', ' to contemp', 'to contempl', 'o contempla']

In [ ]:

X = []
for line in sequences: # 전체 데이터에서 문장 샘플을 1개씩 꺼낸다.
    temp_X = [char_to_index[char] for char in line] # 문장 샘플에서 각 글자에 대해서 정수 인코딩을 수행.
    X.append(temp_X)

for line in X[:5]:
    print(line)

[8, 0, 16, 14, 28, 0, 24, 23, 0, 31, 18]
[0, 16, 14, 28, 0, 24, 23, 0, 31, 18, 28]
[16, 14, 28, 0, 24, 23, 0, 31, 18, 28, 17]
[14, 28, 0, 24, 23, 0, 31, 18, 28, 17, 0]
[28, 0, 24, 23, 0, 31, 18, 28, 17, 0, 21]

In [ ]:

# 예측 단어 분리 (맨 마지막 글자 분리)

sequences = np.array(X)
X = sequences[:,:-1]
y = sequences[:,-1] # 맨 마지막 위치의 글자를 분리

for line in X[:5]:
    print(line)

[ 8  0 16 14 28  0 24 23  0 31]
[ 0 16 14 28  0 24 23  0 31 18]
[16 14 28  0 24 23  0 31 18 28]
[14 28  0 24 23  0 31 18 28 17]
[28  0 24 23  0 31 18 28 17  0]

In [ ]:

# 원핫 인코딩
sequences = [to_categorical(x, num_classes=vocab_size) for x in X] # X에 대한 원-핫 인코딩
X = np.array(sequences)
y = to_categorical(y, num_classes=vocab_size) # y에 대한 원-핫 인코딩
print(X.shape)

(426, 10, 33)

모델 설계하기¶

In [ ]:

from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Dense, LSTM
from tensorflow.keras.preprocessing.sequence import pad_sequences

model = Sequential()
model.add(LSTM(80, input_shape=(X.shape[1], X.shape[2]))) # X.shape[1]은 25, X.shape[2]는 33
model.add(Dense(vocab_size, activation='softmax'))

In [ ]:

model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])
model.fit(X, y, epochs=100, verbose=2)

Epoch 1/100
14/14 - 0s - loss: 3.4580 - accuracy: 0.1432
Epoch 2/100
14/14 - 0s - loss: 3.2984 - accuracy: 0.1972
Epoch 3/100
14/14 - 0s - loss: 3.0382 - accuracy: 0.1972
Epoch 4/100
14/14 - 0s - loss: 2.9666 - accuracy: 0.1972
Epoch 5/100
14/14 - 0s - loss: 2.9433 - accuracy: 0.1972
Epoch 6/100
14/14 - 0s - loss: 2.9227 - accuracy: 0.1972
Epoch 7/100
14/14 - 0s - loss: 2.9052 - accuracy: 0.1972
Epoch 8/100
14/14 - 0s - loss: 2.8916 - accuracy: 0.1972
Epoch 9/100
14/14 - 0s - loss: 2.8678 - accuracy: 0.1995
Epoch 10/100
14/14 - 0s - loss: 2.8377 - accuracy: 0.1972
Epoch 11/100
14/14 - 0s - loss: 2.8018 - accuracy: 0.2089
Epoch 12/100
14/14 - 0s - loss: 2.7741 - accuracy: 0.2230
Epoch 13/100
14/14 - 0s - loss: 2.7372 - accuracy: 0.2089
Epoch 14/100
14/14 - 0s - loss: 2.6775 - accuracy: 0.2418
Epoch 15/100
14/14 - 0s - loss: 2.6518 - accuracy: 0.2512
Epoch 16/100
14/14 - 0s - loss: 2.5878 - accuracy: 0.2488
Epoch 17/100
14/14 - 0s - loss: 2.5182 - accuracy: 0.2723
Epoch 18/100
14/14 - 0s - loss: 2.4703 - accuracy: 0.2981
Epoch 19/100
14/14 - 0s - loss: 2.4139 - accuracy: 0.2981
Epoch 20/100
14/14 - 0s - loss: 2.3649 - accuracy: 0.3099
Epoch 21/100
14/14 - 0s - loss: 2.3031 - accuracy: 0.3404
Epoch 22/100
14/14 - 0s - loss: 2.2510 - accuracy: 0.3451
Epoch 23/100
14/14 - 0s - loss: 2.1971 - accuracy: 0.3709
Epoch 24/100
14/14 - 0s - loss: 2.1257 - accuracy: 0.3826
Epoch 25/100
14/14 - 0s - loss: 2.0661 - accuracy: 0.3850
Epoch 26/100
14/14 - 0s - loss: 2.0337 - accuracy: 0.4085
Epoch 27/100
14/14 - 0s - loss: 1.9839 - accuracy: 0.4554
Epoch 28/100
14/14 - 0s - loss: 1.9434 - accuracy: 0.4296
Epoch 29/100
14/14 - 0s - loss: 1.9031 - accuracy: 0.4366
Epoch 30/100
14/14 - 0s - loss: 1.8332 - accuracy: 0.5000
Epoch 31/100
14/14 - 0s - loss: 1.7705 - accuracy: 0.4977
Epoch 32/100
14/14 - 0s - loss: 1.7159 - accuracy: 0.5164
Epoch 33/100
14/14 - 0s - loss: 1.6726 - accuracy: 0.5423
Epoch 34/100
14/14 - 0s - loss: 1.6274 - accuracy: 0.5540
Epoch 35/100
14/14 - 0s - loss: 1.5915 - accuracy: 0.5986
Epoch 36/100
14/14 - 0s - loss: 1.5312 - accuracy: 0.5986
Epoch 37/100
14/14 - 0s - loss: 1.5075 - accuracy: 0.5986
Epoch 38/100
14/14 - 0s - loss: 1.4553 - accuracy: 0.6268
Epoch 39/100
14/14 - 0s - loss: 1.3836 - accuracy: 0.6455
Epoch 40/100
14/14 - 0s - loss: 1.3247 - accuracy: 0.6901
Epoch 41/100
14/14 - 0s - loss: 1.2974 - accuracy: 0.6878
Epoch 42/100
14/14 - 0s - loss: 1.2430 - accuracy: 0.7183
Epoch 43/100
14/14 - 0s - loss: 1.2240 - accuracy: 0.7300
Epoch 44/100
14/14 - 0s - loss: 1.1928 - accuracy: 0.7277
Epoch 45/100
14/14 - 0s - loss: 1.1447 - accuracy: 0.7347
Epoch 46/100
14/14 - 0s - loss: 1.0965 - accuracy: 0.7582
Epoch 47/100
14/14 - 0s - loss: 1.0653 - accuracy: 0.7559
Epoch 48/100
14/14 - 0s - loss: 1.0373 - accuracy: 0.7512
Epoch 49/100
14/14 - 0s - loss: 1.0040 - accuracy: 0.7770
Epoch 50/100
14/14 - 0s - loss: 0.9708 - accuracy: 0.7793
Epoch 51/100
14/14 - 0s - loss: 0.9332 - accuracy: 0.7700
Epoch 52/100
14/14 - 0s - loss: 0.8950 - accuracy: 0.8052
Epoch 53/100
14/14 - 0s - loss: 0.8532 - accuracy: 0.8122
Epoch 54/100
14/14 - 0s - loss: 0.8142 - accuracy: 0.8263
Epoch 55/100
14/14 - 0s - loss: 0.7963 - accuracy: 0.8592
Epoch 56/100
14/14 - 0s - loss: 0.7762 - accuracy: 0.8310
Epoch 57/100
14/14 - 0s - loss: 0.7459 - accuracy: 0.8568
Epoch 58/100
14/14 - 0s - loss: 0.7013 - accuracy: 0.8638
Epoch 59/100
14/14 - 0s - loss: 0.6754 - accuracy: 0.8803
Epoch 60/100
14/14 - 0s - loss: 0.6576 - accuracy: 0.8779
Epoch 61/100
14/14 - 0s - loss: 0.6340 - accuracy: 0.9014
Epoch 62/100
14/14 - 0s - loss: 0.6083 - accuracy: 0.9038
Epoch 63/100
14/14 - 0s - loss: 0.5740 - accuracy: 0.9108
Epoch 64/100
14/14 - 0s - loss: 0.5576 - accuracy: 0.9178
Epoch 65/100
14/14 - 0s - loss: 0.5215 - accuracy: 0.9319
Epoch 66/100
14/14 - 0s - loss: 0.5031 - accuracy: 0.9319
Epoch 67/100
14/14 - 0s - loss: 0.4847 - accuracy: 0.9437
Epoch 68/100
14/14 - 0s - loss: 0.4747 - accuracy: 0.9390
Epoch 69/100
14/14 - 0s - loss: 0.4512 - accuracy: 0.9413
Epoch 70/100
14/14 - 0s - loss: 0.4289 - accuracy: 0.9554
Epoch 71/100
14/14 - 0s - loss: 0.4233 - accuracy: 0.9531
Epoch 72/100
14/14 - 0s - loss: 0.4173 - accuracy: 0.9531
Epoch 73/100
14/14 - 0s - loss: 0.4016 - accuracy: 0.9531
Epoch 74/100
14/14 - 0s - loss: 0.3682 - accuracy: 0.9601
Epoch 75/100
14/14 - 0s - loss: 0.3535 - accuracy: 0.9671
Epoch 76/100
14/14 - 0s - loss: 0.3401 - accuracy: 0.9742
Epoch 77/100
14/14 - 0s - loss: 0.3206 - accuracy: 0.9765
Epoch 78/100
14/14 - 0s - loss: 0.3207 - accuracy: 0.9671
Epoch 79/100
14/14 - 0s - loss: 0.3217 - accuracy: 0.9624
Epoch 80/100
14/14 - 0s - loss: 0.3150 - accuracy: 0.9671
Epoch 81/100
14/14 - 0s - loss: 0.2963 - accuracy: 0.9718
Epoch 82/100
14/14 - 0s - loss: 0.2772 - accuracy: 0.9695
Epoch 83/100
14/14 - 0s - loss: 0.2687 - accuracy: 0.9859
Epoch 84/100
14/14 - 0s - loss: 0.2537 - accuracy: 0.9765
Epoch 85/100
14/14 - 0s - loss: 0.2457 - accuracy: 0.9789
Epoch 86/100
14/14 - 0s - loss: 0.2300 - accuracy: 0.9836
Epoch 87/100
14/14 - 0s - loss: 0.2311 - accuracy: 0.9836
Epoch 88/100
14/14 - 0s - loss: 0.2207 - accuracy: 0.9742
Epoch 89/100
14/14 - 0s - loss: 0.2143 - accuracy: 0.9789
Epoch 90/100
14/14 - 0s - loss: 0.2068 - accuracy: 0.9836
Epoch 91/100
14/14 - 0s - loss: 0.2104 - accuracy: 0.9789
Epoch 92/100
14/14 - 0s - loss: 0.1982 - accuracy: 0.9812
Epoch 93/100
14/14 - 0s - loss: 0.1929 - accuracy: 0.9812
Epoch 94/100
14/14 - 0s - loss: 0.1829 - accuracy: 0.9836
Epoch 95/100
14/14 - 0s - loss: 0.1757 - accuracy: 0.9789
Epoch 96/100
14/14 - 0s - loss: 0.1697 - accuracy: 0.9789
Epoch 97/100
14/14 - 0s - loss: 0.1673 - accuracy: 0.9836
Epoch 98/100
14/14 - 0s - loss: 0.1645 - accuracy: 0.9789
Epoch 99/100
14/14 - 0s - loss: 0.1697 - accuracy: 0.9742
Epoch 100/100
14/14 - 0s - loss: 0.1615 - accuracy: 0.9812

Out[ ]:

<tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7ff41dc2df60>

In [ ]:

def sentence_generation(model, char_to_index, seq_length, seed_text, n):
# 모델, 인덱스 정보, 문장 길이, 초기 시퀀스, 반복 횟수
    init_text = seed_text # 문장 생성에 사용할 초기 시퀀스
    sentence = ''

    for _ in range(n): # n번 반복
        encoded = [char_to_index[char] for char in seed_text] # 현재 시퀀스에 대한 정수 인코딩
        encoded = pad_sequences([encoded], maxlen=seq_length, padding='pre') # 데이터에 대한 패딩
        encoded = to_categorical(encoded, num_classes=len(char_to_index))
        result = model.predict_classes(encoded, verbose=0)
        # 입력한 X(현재 시퀀스)에 대해서 y를 예측하고 y(예측한 글자)를 result에 저장.
        for char, index in char_to_index.items(): # 만약 예측한 글자와 인덱스와 동일한 글자가 있다면
            if index == result: # 해당 글자가 예측 글자이므로 break
                break
        seed_text=seed_text + char # 현재 시퀀스 + 예측 글자를 현재 시퀀스로 변경
        sentence=sentence + char # 예측 글자를 문장에 저장
        # for문이므로 이 작업을 다시 반복

    sentence = init_text + sentence
    return sentence

print(sentence_generation(model, char_to_index, 10, 'I get on w', 80))

I get on with life as a programmer, I like to use words about beer. But when I stap mto da

워드 임베딩 (Word Embedding)¶

워드임베딩이란?¶

단어를 벡터로 표현하는 방법.
즉, 단어를 밀집표현으로 변환

희소표현 (Sparse Representation)¶

원핫 벡터들처럼 표현하고자 하는 단어 인덱스만 1이고, 나머지가 0인 것처럼 대부분의 행렬이나 벡터의 값이 0으로 표현되는 방식을 희소표현이라고 함.
원핫벡터: 희소벡터
문제점: 단어 개수가 늘어나면 벡터의 차원이 한없이 커진다는 것.
- 공간낭비
- DTM의 경우에도 문서에 있는 단어들이 전부 등장하지 않는다면 공간낭비를 일으킴.
- 단어의 의미를 담지 못함. (빈도순으로만 계산하기 때문)

밀집표현 (Dense Representation)¶

벡터의 차원을 단어집합의 크기로 상정하지 않음.
사용자가 설정한 값으로 모든 단어의 벡터 표현의 차원을 맞춤.
0과 1이 아닌 실수값을 가지게 됨.

ex) 강아지 = [0 0 0 0 0 1 0 0 0 ...] (원핫벡터)

-> 강아지 = [0.2 1.8 1.1 -2.1 1.1 ...]
이처럼 벡터의 차원이 조밀해졌다고 하여 밀집벡터라고 함.

워드임베딩 (Word Embedding)¶

단어를 밀집벡터(dense vector)의 형태로 표현하는 방법.
LSA, Word2Vec, FastText, Glove 등의 방법론들이 있음.

워드투벡터(word2vec)¶

원-핫벡터는 단어 간 유사도를 계산할 수 없음.
이를 해결하기 위해 등장한 것이 워드투벡터.
워드투벡터를 사용하면 단어의 의미들을 가지고 연산을 할 수 있음.

희소표현¶

희소벡터의 대안으로, 단어의 '의미'를 다차원 공간에 벡터화하는 방법을 찾게 됨.
이 방법을 '분산표현'이라고 함.
분산표현을 이용하여 단어의 유사도를 벡터화하는 작업 역시 워드 임베딩이기 때문에, 이렇게 표현된 벡터를 임베딩 벡터 또는 밀집벡터라고도 함.

분산표현¶

분포가설이란 가정하에 만들어진 표현방법임.
'비슷한 위치에서 등장하는 단어들은 비슷한 의미를 가진다'라는 가정이 존재.
벡터 차원이 단어집합의 크기일 필요가 없으므로, 벡터의 차원이 저차원으로 줄어들게 됨.

CBOW와 Skipgram¶

- Word2vec에는 CBOW(Continuous Bag of Words)와 Skipgram 방식이 있음.¶

CBOW¶

주변에 있는 단어들을 가지고 중간에 있는 단어를 예측하는 방법.

ex) "The fat cat sat on the mat"

중간에 나올 sat을 예측하는 것이 CBOW가 할 일이다.
예측해야 하는 단어 sat을 중심단어라고 하고, 예측에 사용되는 단어들을 주변단어라고 함.
중심단어를 예측하기 위해 앞,뒤로 몇 개의 단어를 볼지 결정했다면, 이 범위를 윈도우라고 한다. 윈도우 크기가 2이고, 중심단어가 sat이라고 한다면, 앞의 두 단어인 fat, cat 뒤의 두 단어인 on, the를 참고함.
윈도우 크기를 정한 이후에는 윈도우를 계속 움직여 주변단어와 중심단어 선택을 바꿔가며 학습데이터셋을 만들 수 있음. 이 방법을 슬라이딩 윈도우라고 함.
Word2vec의 입력은 모두 원-핫 벡터가 되어야 함.
word2vec은 딥러닝 모델이 아님. (딥러닝모델: 입력층과 출력층 사이 은닉층의 개수가 충분히 쌓여있는 신경망. word2vec은 하나의 은닉층만이 존재하며 활성화함수가 존재하지 않음.)

Skipgram¶

중간에 있는 단어로 주변 단어를 예측하는 방법.
전반적으로 CBOW보다 성능이 좋다고 알려져 있음.

네거티브 샘플링¶

Word2Vec의 마지막 단계에서, 출력층에 있는 소프트맥스 함수는 단어집합 크기의 벡터 내의 모든 값을 0과 1사이의 값이면서 모두 더하면 1이 되도록 바꾸는 작업을 수행함.
이후 이에 대한 오차를 구하고, 모든 단어에 대한 임베딩을 조정.
하지만 단어집합의 크기가 굉장히 커진다면, 무거운 작업이 됨.
Word2vec은 모든 단어집합에 대해 소프트맥스 함수를 수행하고, 역전파를 수행하므로 주변 단어와 상관없는 모든 단어까지 워드임베딩 조정 작업을 수행함.
이를 조금 더 효율적으로 하기 위해 전체단어집합이 아닌 일부단어집합에 대해서만 고려하게 만들 수 있음.
훨씬 작은 단어집합을 만들어놓고, 마지막단계를 이진분류문제로 바꿔버리는 것임. 즉, word2vec은 주변 단어들을 긍정으로 두고 랜덤으로 샘플링 된 단어들을 부정으로 둔 다음에 이진분류 문제를 수행함.

영어/한국어 word2vec 실습¶

In [ ]:

import re
from lxml import etree
import urllib.request
import zipfile
from nltk.tokenize import word_tokenize, sent_tokenize

urllib.request.urlretrieve("https://wit3.fbk.eu/get.php?path=XML_releases/xml/ted_en-20160408.zip&filename=ted_en-20160408.zip", filename="ted_en-20160408.zip")
# 데이터 다운로드

with zipfile.ZipFile('ted_en-20160408.zip', 'r') as z:
  target_text = etree.parse(z.open('ted_en-20160408.xml', 'r'))
  parse_text = '\n'.join(target_text.xpath('//content/text()'))
# xml 파일로부터 <content>와 </content> 사이의 내용만 가져온다.

In [ ]:

parse_text[:300]

Out[ ]:

"Here are two reasons companies fail: they only do more of the same, or they only do what's new.\nTo me the real, real solution to quality growth is figuring out the balance between two activities: exploration and exploitation. Both are necessary, but it can be too much of a good thing.\nConsider Facit"

In [ ]:

import nltk
nltk.download('punkt')

content_text = re.sub(r'\([^)]*\)', '', parse_text)
# 정규 표현식의 sub 모듈을 통해 content 중간에 등장하는 (Audio), (Laughter) 등의 배경음 부분을 제거.
# 해당 코드는 괄호로 구성된 내용을 제거.

sent_text=sent_tokenize(content_text)
# 입력 코퍼스에 대해서 NLTK를 이용하여 문장 토큰화를 수행.

normalized_text = []
for string in sent_text:
     tokens = re.sub(r"[^a-z0-9]+", " ", string.lower())
     normalized_text.append(tokens)
# 각 문장에 대해서 구두점을 제거하고, 대문자를 소문자로 변환.

result = [word_tokenize(sentence) for sentence in normalized_text]
# 각 문장에 대해서 NLTK를 이용하여 단어 토큰화를 수행.
print('총 샘플의 개수: {}'.format(len(result)))

[nltk_data] Downloading package punkt to /root/nltk_data...
[nltk_data]   Unzipping tokenizers/punkt.zip.
총 샘플의 개수: 273424

In [ ]:

for line in result[:3]: # 샘플 3개만 출력
    print(line)

['here', 'are', 'two', 'reasons', 'companies', 'fail', 'they', 'only', 'do', 'more', 'of', 'the', 'same', 'or', 'they', 'only', 'do', 'what', 's', 'new']
['to', 'me', 'the', 'real', 'real', 'solution', 'to', 'quality', 'growth', 'is', 'figuring', 'out', 'the', 'balance', 'between', 'two', 'activities', 'exploration', 'and', 'exploitation']
['both', 'are', 'necessary', 'but', 'it', 'can', 'be', 'too', 'much', 'of', 'a', 'good', 'thing']

In [ ]:

from gensim.models import Word2Vec
model = Word2Vec(sentences=result, size=100, window=5, min_count=5, workers=4, sg=0)
model_result = model.wv.most_similar("man")
print(model_result)

[('woman', 0.8496309518814087), ('guy', 0.8047130107879639), ('lady', 0.7630440592765808), ('boy', 0.7434742450714111), ('girl', 0.7397940158843994), ('poet', 0.7102178335189819), ('gentleman', 0.6967080235481262), ('kid', 0.6860352754592896), ('soldier', 0.6833100318908691), ('surgeon', 0.6762808561325073)]

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/gensim/matutils.py:737: FutureWarning: Conversion of the second argument of issubdtype from `int` to `np.signedinteger` is deprecated. In future, it will be treated as `np.int64 == np.dtype(int).type`.
  if np.issubdtype(vec.dtype, np.int):

In [ ]:

from gensim.models import KeyedVectors
model.wv.save_word2vec_format('eng_w2v') # 모델 저장
loaded_model = KeyedVectors.load_word2vec_format("eng_w2v") # 모델 로드

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/smart_open/smart_open_lib.py:254: UserWarning: This function is deprecated, use smart_open.open instead. See the migration notes for details: https://github.com/RaRe-Technologies/smart_open/blob/master/README.rst#migrating-to-the-new-open-function
  'See the migration notes for details: %s' % _MIGRATION_NOTES_URL

In [ ]:

model_result = loaded_model.most_similar("man")
print(model_result)

[('woman', 0.8496309518814087), ('guy', 0.8047130107879639), ('lady', 0.7630440592765808), ('boy', 0.7434742450714111), ('girl', 0.7397940158843994), ('poet', 0.7102178335189819), ('gentleman', 0.6967080235481262), ('kid', 0.6860352754592896), ('soldier', 0.6833100318908691), ('surgeon', 0.6762808561325073)]

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/gensim/matutils.py:737: FutureWarning: Conversion of the second argument of issubdtype from `int` to `np.signedinteger` is deprecated. In future, it will be treated as `np.int64 == np.dtype(int).type`.
  if np.issubdtype(vec.dtype, np.int):

In [ ]:

!pip install konlpy

Collecting konlpy
  Downloading https://files.pythonhosted.org/packages/85/0e/f385566fec837c0b83f216b2da65db9997b35dd675e107752005b7d392b1/konlpy-0.5.2-py2.py3-none-any.whl (19.4MB)
     |████████████████████████████████| 19.4MB 1.9MB/s 
Collecting beautifulsoup4==4.6.0
  Downloading https://files.pythonhosted.org/packages/9e/d4/10f46e5cfac773e22707237bfcd51bbffeaf0a576b0a847ec7ab15bd7ace/beautifulsoup4-4.6.0-py3-none-any.whl (86kB)
     |████████████████████████████████| 92kB 8.9MB/s 
Collecting JPype1>=0.7.0
  Downloading https://files.pythonhosted.org/packages/8b/f7/a368401e630f0e390dd0e62c39fb928e5b23741b53c2360ee7d376660927/JPype1-1.0.2-cp36-cp36m-manylinux2010_x86_64.whl (3.8MB)
     |████████████████████████████████| 3.8MB 45.3MB/s 
Requirement already satisfied: lxml>=4.1.0 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from konlpy) (4.2.6)
Collecting tweepy>=3.7.0
  Downloading https://files.pythonhosted.org/packages/bb/7c/99d51f80f3b77b107ebae2634108717362c059a41384a1810d13e2429a81/tweepy-3.9.0-py2.py3-none-any.whl
Requirement already satisfied: numpy>=1.6 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from konlpy) (1.18.5)
Collecting colorama
  Downloading https://files.pythonhosted.org/packages/c9/dc/45cdef1b4d119eb96316b3117e6d5708a08029992b2fee2c143c7a0a5cc5/colorama-0.4.3-py2.py3-none-any.whl
Requirement already satisfied: typing-extensions; python_version < "3.8" in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from JPype1>=0.7.0->konlpy) (3.7.4.2)
Requirement already satisfied: six>=1.10.0 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from tweepy>=3.7.0->konlpy) (1.15.0)
Requirement already satisfied: requests[socks]>=2.11.1 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from tweepy>=3.7.0->konlpy) (2.23.0)
Requirement already satisfied: requests-oauthlib>=0.7.0 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from tweepy>=3.7.0->konlpy) (1.3.0)
Requirement already satisfied: idna<3,>=2.5 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from requests[socks]>=2.11.1->tweepy>=3.7.0->konlpy) (2.10)
Requirement already satisfied: urllib3!=1.25.0,!=1.25.1,<1.26,>=1.21.1 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from requests[socks]>=2.11.1->tweepy>=3.7.0->konlpy) (1.24.3)
Requirement already satisfied: chardet<4,>=3.0.2 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from requests[socks]>=2.11.1->tweepy>=3.7.0->konlpy) (3.0.4)
Requirement already satisfied: certifi>=2017.4.17 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from requests[socks]>=2.11.1->tweepy>=3.7.0->konlpy) (2020.6.20)
Requirement already satisfied: PySocks!=1.5.7,>=1.5.6; extra == "socks" in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from requests[socks]>=2.11.1->tweepy>=3.7.0->konlpy) (1.7.1)
Requirement already satisfied: oauthlib>=3.0.0 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from requests-oauthlib>=0.7.0->tweepy>=3.7.0->konlpy) (3.1.0)
Installing collected packages: beautifulsoup4, JPype1, tweepy, colorama, konlpy
  Found existing installation: beautifulsoup4 4.6.3
    Uninstalling beautifulsoup4-4.6.3:
      Successfully uninstalled beautifulsoup4-4.6.3
  Found existing installation: tweepy 3.6.0
    Uninstalling tweepy-3.6.0:
      Successfully uninstalled tweepy-3.6.0
Successfully installed JPype1-1.0.2 beautifulsoup4-4.6.0 colorama-0.4.3 konlpy-0.5.2 tweepy-3.9.0

In [ ]:

import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import urllib.request
from gensim.models.word2vec import Word2Vec
from konlpy.tag import Okt

urllib.request.urlretrieve("https://raw.githubusercontent.com/e9t/nsmc/master/ratings.txt", filename="ratings.txt")
train_data = pd.read_table('ratings.txt')
train_data[:5]

Out[ ]:

	id	document	label
0	8112052	어릴때보고 지금다시봐도 재밌어요ㅋㅋ	1
1	8132799	디자인을 배우는 학생으로, 외국디자이너와 그들이 일군 전통을 통해 발전해가는 문화산...	1
2	4655635	폴리스스토리 시리즈는 1부터 뉴까지 버릴께 하나도 없음.. 최고.	1
3	9251303	와.. 연기가 진짜 개쩔구나.. 지루할거라고 생각했는데 몰입해서 봤다.. 그래 이런...	1
4	10067386	안개 자욱한 밤하늘에 떠 있는 초승달 같은 영화.	1

In [ ]:

print(len(train_data)) # 리뷰 개수 출력
# NULL 값 존재 유무
print(train_data.isnull().values.any())
train_data = train_data.dropna(how = 'any') # Null 값이 존재하는 행 제거
print(train_data.isnull().values.any()) # Null 값이 존재하는지 확인
print(len(train_data)) # 리뷰 개수 출력
# 정규 표현식을 통한 한글 외 문자 제거
train_data['document'] = train_data['document'].str.replace("[^ㄱ-ㅎㅏ-ㅣ가-힣 ]","")
train_data[:5] # 상위 5개 출력

200000
True
False
199992

Out[ ]:

	id	document	label
0	8112052	어릴때보고 지금다시봐도 재밌어요ㅋㅋ	1
1	8132799	디자인을 배우는 학생으로 외국디자이너와 그들이 일군 전통을 통해 발전해가는 문화산업...	1
2	4655635	폴리스스토리 시리즈는 부터 뉴까지 버릴께 하나도 없음 최고	1
3	9251303	와 연기가 진짜 개쩔구나 지루할거라고 생각했는데 몰입해서 봤다 그래 이런게 진짜 영화지	1
4	10067386	안개 자욱한 밤하늘에 떠 있는 초승달 같은 영화	1

In [ ]:

# 불용어 정의
stopwords = ['의','가','이','은','들','는','좀','잘','걍','과','도','를','으로','자','에','와','한','하다']
# 형태소 분석기 OKT를 사용한 토큰화 작업 (다소 시간 소요)
okt = Okt()
tokenized_data = []
for sentence in train_data['document']:
    temp_X = okt.morphs(sentence, stem=True) # 토큰화
    temp_X = [word for word in temp_X if not word in stopwords] # 불용어 제거
    tokenized_data.append(temp_X)
# 리뷰 길이 분포 확인
print('리뷰의 최대 길이 :',max(len(l) for l in tokenized_data))
print('리뷰의 평균 길이 :',sum(map(len, tokenized_data))/len(tokenized_data))
plt.hist([len(s) for s in tokenized_data], bins=50)
plt.xlabel('length of samples')
plt.ylabel('number of samples')
plt.show()

In [ ]:

from gensim.models import Word2Vec
model = Word2Vec(sentences = tokenized_data, size = 100, window = 5, min_count = 5, workers = 4, sg = 0)
# 완성된 임베딩 매트릭스의 크기 확인
model.wv.vectors.shape
print(model.wv.most_similar("최민식"))
print(model.wv.most_similar("히어로"))

워드투벡 구현하기¶

In [ ]:

from sklearn.datasets import fetch_20newsgroups
import pandas as pd
import numpy as np
import nltk
from nltk.corpus import stopwords
from tensorflow.keras.preprocessing.text import Tokenizer

In [ ]:

dataset = fetch_20newsgroups(shuffle=True, random_state=1, remove=('headers', 'footers', 'quotes'))
documents = dataset.data
print('총 샘플 수 :',len(documents))

Downloading 20news dataset. This may take a few minutes.
Downloading dataset from https://ndownloader.figshare.com/files/5975967 (14 MB)

총 샘플 수 : 11314

In [ ]:

news_df = pd.DataFrame({'document':documents})
# 특수 문자 제거
news_df['clean_doc'] = news_df['document'].str.replace("[^a-zA-Z]", " ")
# 길이가 3이하인 단어는 제거 (길이가 짧은 단어 제거)
news_df['clean_doc'] = news_df['clean_doc'].apply(lambda x: ' '.join([w for w in x.split() if len(w)>3]))
# 전체 단어에 대한 소문자 변환
news_df['clean_doc'] = news_df['clean_doc'].apply(lambda x: x.lower())
# null value 확인
news_df.isnull().values.any()

Out[ ]:

False

In [ ]:

# empty value 확인
news_df.replace("", float("NaN"), inplace=True)
news_df.isnull().values.any()

Out[ ]:

True

In [ ]:

# null값 제거
news_df.dropna(inplace=True)
print('총 샘플 수 :',len(news_df))

총 샘플 수 : 10995

In [ ]:

import nltk
nltk.download('stopwords')
# 불용어를 제거
stop_words = stopwords.words('english')
tokenized_doc = news_df['clean_doc'].apply(lambda x: x.split())
tokenized_doc = tokenized_doc.apply(lambda x: [item for item in x if item not in stop_words])
tokenized_doc = tokenized_doc.to_list()

[nltk_data] Downloading package stopwords to /root/nltk_data...
[nltk_data]   Unzipping corpora/stopwords.zip.

In [ ]:

# 단어가 1개 이하인 샘플의 인덱스를 찾아서 저장하고, 해당 샘플들은 제거.
drop_train = [index for index, sentence in enumerate(tokenized_doc) if len(sentence) <= 1]
tokenized_doc = np.delete(tokenized_doc, drop_train, axis=0)
print('총 샘플 수 :',len(tokenized_doc))

총 샘플 수 : 10940

In [ ]:

# 정수인코딩
tokenizer = Tokenizer()
tokenizer.fit_on_texts(tokenized_doc)

word2idx = tokenizer.word_index
idx2word = {v:k for k, v in word2idx.items()}
encoded = tokenizer.texts_to_sequences(tokenized_doc)

In [ ]:

print(encoded[:2])

[[9, 59, 603, 207, 3278, 1495, 474, 702, 9470, 13686, 5533, 15227, 702, 442, 702, 70, 1148, 1095, 1036, 20294, 984, 705, 4294, 702, 217, 207, 1979, 15228, 13686, 4865, 4520, 87, 1530, 6, 52, 149, 581, 661, 4406, 4988, 4866, 1920, 755, 10668, 1102, 7837, 442, 957, 10669, 634, 51, 228, 2669, 4989, 178, 66, 222, 4521, 6066, 68, 4295], [1026, 532, 2, 60, 98, 582, 107, 800, 23, 79, 4522, 333, 7838, 864, 421, 3825, 458, 6488, 458, 2700, 4730, 333, 23, 9, 4731, 7262, 186, 310, 146, 170, 642, 1260, 107, 33568, 13, 985, 33569, 33570, 9471, 11491]]

In [ ]:

vocab_size = len(word2idx) + 1 
print('단어 집합의 크기 :', vocab_size)

단어 집합의 크기 : 64277

In [ ]:

from tensorflow.keras.preprocessing.sequence import skipgrams
# 네거티브 샘플링
skip_grams = [skipgrams(sample, vocabulary_size=vocab_size, window_size=10) for sample in encoded[:10]]
# 첫번째 샘플인 skip_grams[0] 내 skipgrams로 형성된 데이터셋 확인
pairs, labels = skip_grams[0][0], skip_grams[0][1]
for i in range(5):
    print("({:s} ({:d}), {:s} ({:d})) -> {:d}".format(
          idx2word[pairs[i][0]], pairs[i][0], 
          idx2word[pairs[i][1]], pairs[i][1], 
          labels[i]))

(least (87), wefl (54068)) -> 0
(government (51), look (66)) -> 1
(degree (1530), magaziner (39612)) -> 0
(subsidizing (15228), least (87)) -> 1
(europeans (4520), subsidizing (15228)) -> 1

In [ ]:

print('전체 샘플 수 :',len(skip_grams))

전체 샘플 수 : 10

In [ ]:

# 첫번째 뉴스그룹 샘플에 대해서 생긴 pairs와 labels의 개수
print(len(pairs))
print(len(labels))

2220
2220

In [ ]:

skip_grams = [skipgrams(sample, vocabulary_size=vocab_size, window_size=10) for sample in encoded]

In [ ]:

from tensorflow.keras.models import Sequential, Model
from tensorflow.keras.layers import Embedding, Reshape, Activation, Input
from tensorflow.keras.layers import Dot
from tensorflow.keras.utils import plot_model
from IPython.display import SVG

embed_size = 100

# 모델 설계
# 중심 단어를 위한 임베딩 테이블
w_inputs = Input(shape=(1, ), dtype='int32')
word_embedding = Embedding(vocab_size, embed_size)(w_inputs)

# 주변 단어를 위한 임베딩 테이블
c_inputs = Input(shape=(1, ), dtype='int32')
context_embedding  = Embedding(vocab_size, embed_size)(c_inputs)

# 임베딩테이블 생성, 시그모이드->활성화함수->예측값
dot_product = Dot(axes=2)([word_embedding, context_embedding])
dot_product = Reshape((1,), input_shape=(1, 1))(dot_product)
output = Activation('sigmoid')(dot_product)
model = Model(inputs=[w_inputs, c_inputs], outputs=output)
model.summary()
model.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer='adam')
plot_model(model, to_file='model3.png', show_shapes=True, show_layer_names=True, rankdir='TB')

Model: "functional_1"
__________________________________________________________________________________________________
Layer (type)                    Output Shape         Param #     Connected to                     
==================================================================================================
input_1 (InputLayer)            [(None, 1)]          0                                            
__________________________________________________________________________________________________
input_2 (InputLayer)            [(None, 1)]          0                                            
__________________________________________________________________________________________________
embedding (Embedding)           (None, 1, 100)       6427700     input_1[0][0]                    
__________________________________________________________________________________________________
embedding_1 (Embedding)         (None, 1, 100)       6427700     input_2[0][0]                    
__________________________________________________________________________________________________
dot (Dot)                       (None, 1, 1)         0           embedding[0][0]                  
                                                                 embedding_1[0][0]                
__________________________________________________________________________________________________
reshape (Reshape)               (None, 1)            0           dot[0][0]                        
__________________________________________________________________________________________________
activation (Activation)         (None, 1)            0           reshape[0][0]                    
==================================================================================================
Total params: 12,855,400
Trainable params: 12,855,400
Non-trainable params: 0
__________________________________________________________________________________________________

Out[ ]:

In [ ]:

for epoch in range(1, 6):
    loss = 0
    for _, elem in enumerate(skip_grams):
        first_elem = np.array(list(zip(*elem[0]))[0], dtype='int32')
        second_elem = np.array(list(zip(*elem[0]))[1], dtype='int32')
        labels = np.array(elem[1], dtype='int32')
        X = [first_elem, second_elem]
        Y = labels
        loss += model.train_on_batch(X,Y)  
    print('Epoch :',epoch, 'Loss :',loss)

In [ ]:

import gensim
f = open('vectors.txt' ,'w')
f.write('{} {}\n'.format(vocab_size-1, embed_size))
vectors = model.get_weights()[0]
for word, i in tokenizer.word_index.items():
    f.write('{} {}\n'.format(word, ' '.join(map(str, list(vectors[i, :])))))
f.close()
w2v = gensim.models.KeyedVectors.load_word2vec_format('./vectors.txt', binary=False)
w2v.most_similar(positive=['soldiers'])
w2v.most_similar(positive=['doctor'])
w2v.most_similar(positive=['police'])
w2v.most_similar(positive=['knife'])
w2v.most_similar(positive=['engine'])

글로브(Glove)¶

카운트 기반과 예측 기반을 모두 사용하는 방법론으로 단어 임베딩 방법론임.
LSA와 예측기반의 word2vec의 단점을 지적하며 나타났고, 뛰어난 성능을 보여주고 있음.

기존방법론에 대한 비판¶

LSA는 DTM이나 TF-IDF 행렬과 같이 각 문서에서의 각 단어의 빈도수를 카운트 한 행렬이라는 전체적인 통계 정보를 입력으로 받아 차원을 축소(Truncated SVD)하여 잠재된 의미를 끌어내는 방법론. 반면, Word2Vec는 실제값과 예측값에 대한 오차를 손실 함수를 통해 줄여나가며 학습하는 예측 기반의 방법론.

LSA는 카운트 기반으로 코퍼스의 전체적인 통계 정보를 고려하기는 하지만, 왕:남자 = 여왕:? (정답은 여자)와 같은 단어 의미의 유추 작업(Analogy task)에는 성능이 떨어진다. Word2Vec는 예측 기반으로 단어 간 유추 작업에는 LSA보다 뛰어나지만, 임베딩 벡터가 윈도우 크기 내에서만 주변 단어를 고려하기 때문에 코퍼스의 전체적인 통계 정보를 반영하지 못함.

GloVe는 이러한 기존 방법론들의 각각의 한계를 지적하며, LSA의 메커니즘이었던 카운트 기반의 방법과 Word2Vec의 메커니즘이었던 예측 기반의 방법론 두 가지를 모두 사용함.

윈도우 기반 동시 등장 행렬¶

행과 열을 전체 단어집합의 단어들로 구성하고, i단어의 윈도우 크기 내에서 k 단어가 등장한 횟수를 i행 k열에 기재한 행렬임.

동시 등장 확률¶

P(k | i)는 특정 단어 i의 전체 등장 횟수를 카운트하고 i가 등장했을 때 어떤 단어 k가 등장한 횟수를 카운트하여 계산한 조건부확률임.
P(k | i)에서 i를 중심 단어(Center Word), k를 주변 단어(Context Word)라고 했을 때, 위에서 배운 동시 등장 행렬에서 중심 단어 i의 행의 모든 값을 더한 값을 분모로 하고 i행 k열의 값을 분자로 한 값.

손실함수¶

'임베딩 된 중심단어와 주변 단어 벡터의 내적이 전체 코퍼스에서의 동시 등장 확률이 되도록 만드는 것'

사전훈련된 워드임베딩¶

임베딩 층은 룩업테이블이다.¶

임베딩 층의 입력으로 사용하기 위해서는 입력시퀀스의 각 단어들이 모두 정수 인코딩 되어있어야 합니다.

In [ ]:

from tensorflow.keras.preprocessing.text import Tokenizer
from tensorflow.keras.preprocessing.sequence import pad_sequences
import numpy as np

sentences = ['nice great best amazing', 'stop lies', 'pitiful nerd', 'excellent work', 'supreme quality', 'bad', 'highly respectable']
y_train = [1, 0, 0, 1, 1, 0, 1]

t = Tokenizer()
t.fit_on_texts(sentences)
vocab_size = len(t.word_index) + 1

print(vocab_size)

X_encoded = t.texts_to_sequences(sentences)
print(X_encoded)

16
[[1, 2, 3, 4], [5, 6], [7, 8], [9, 10], [11, 12], [13], [14, 15]]

In [ ]:

# 정수인코딩
max_len=max(len(l) for l in X_encoded)
print(max_len)
X_train=pad_sequences(X_encoded, maxlen=max_len, padding='post')
y_train=np.array(y_train)
print(X_train)

4
[[ 1  2  3  4]
 [ 5  6  0  0]
 [ 7  8  0  0]
 [ 9 10  0  0]
 [11 12  0  0]
 [13  0  0  0]
 [14 15  0  0]]

In [ ]:

# 모델 설계

from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Dense, Embedding, Flatten

model = Sequential()
model.add(Embedding(vocab_size, 4, input_length=max_len)) # 모든 임베딩 벡터는 4차원.
model.add(Flatten()) # Dense의 입력으로 넣기위함.
model.add(Dense(1, activation='sigmoid'))

In [ ]:

# 시그모이드를 활성화함수로 사용, 이진분류 수행
model.compile(optimizer='adam', loss='binary_crossentropy', metrics=['acc'])
model.fit(X_train, y_train, epochs=100, verbose=2)

Epoch 1/100
1/1 - 0s - loss: 0.6994 - acc: 0.4286
Epoch 2/100
1/1 - 0s - loss: 0.6979 - acc: 0.4286
Epoch 3/100
1/1 - 0s - loss: 0.6965 - acc: 0.5714
Epoch 4/100
1/1 - 0s - loss: 0.6951 - acc: 0.5714
Epoch 5/100
1/1 - 0s - loss: 0.6936 - acc: 0.5714
Epoch 6/100
1/1 - 0s - loss: 0.6922 - acc: 0.5714
Epoch 7/100
1/1 - 0s - loss: 0.6908 - acc: 0.7143
Epoch 8/100
1/1 - 0s - loss: 0.6894 - acc: 0.7143
Epoch 9/100
1/1 - 0s - loss: 0.6880 - acc: 0.7143
Epoch 10/100
1/1 - 0s - loss: 0.6866 - acc: 0.7143
Epoch 11/100
1/1 - 0s - loss: 0.6852 - acc: 0.7143
Epoch 12/100
1/1 - 0s - loss: 0.6838 - acc: 0.7143
Epoch 13/100
1/1 - 0s - loss: 0.6824 - acc: 0.8571
Epoch 14/100
1/1 - 0s - loss: 0.6810 - acc: 0.8571
Epoch 15/100
1/1 - 0s - loss: 0.6796 - acc: 0.8571
Epoch 16/100
1/1 - 0s - loss: 0.6782 - acc: 0.8571
Epoch 17/100
1/1 - 0s - loss: 0.6768 - acc: 0.8571
Epoch 18/100
1/1 - 0s - loss: 0.6754 - acc: 0.8571
Epoch 19/100
1/1 - 0s - loss: 0.6740 - acc: 1.0000
Epoch 20/100
1/1 - 0s - loss: 0.6726 - acc: 1.0000
Epoch 21/100
1/1 - 0s - loss: 0.6712 - acc: 1.0000
Epoch 22/100
1/1 - 0s - loss: 0.6698 - acc: 1.0000
Epoch 23/100
1/1 - 0s - loss: 0.6684 - acc: 1.0000
Epoch 24/100
1/1 - 0s - loss: 0.6669 - acc: 1.0000
Epoch 25/100
1/1 - 0s - loss: 0.6655 - acc: 1.0000
Epoch 26/100
1/1 - 0s - loss: 0.6641 - acc: 1.0000
Epoch 27/100
1/1 - 0s - loss: 0.6626 - acc: 1.0000
Epoch 28/100
1/1 - 0s - loss: 0.6612 - acc: 1.0000
Epoch 29/100
1/1 - 0s - loss: 0.6597 - acc: 1.0000
Epoch 30/100
1/1 - 0s - loss: 0.6583 - acc: 1.0000
Epoch 31/100
1/1 - 0s - loss: 0.6568 - acc: 1.0000
Epoch 32/100
1/1 - 0s - loss: 0.6553 - acc: 1.0000
Epoch 33/100
1/1 - 0s - loss: 0.6538 - acc: 1.0000
Epoch 34/100
1/1 - 0s - loss: 0.6523 - acc: 1.0000
Epoch 35/100
1/1 - 0s - loss: 0.6508 - acc: 1.0000
Epoch 36/100
1/1 - 0s - loss: 0.6493 - acc: 1.0000
Epoch 37/100
1/1 - 0s - loss: 0.6478 - acc: 1.0000
Epoch 38/100
1/1 - 0s - loss: 0.6462 - acc: 1.0000
Epoch 39/100
1/1 - 0s - loss: 0.6447 - acc: 1.0000
Epoch 40/100
1/1 - 0s - loss: 0.6431 - acc: 1.0000
Epoch 41/100
1/1 - 0s - loss: 0.6416 - acc: 1.0000
Epoch 42/100
1/1 - 0s - loss: 0.6400 - acc: 1.0000
Epoch 43/100
1/1 - 0s - loss: 0.6384 - acc: 1.0000
Epoch 44/100
1/1 - 0s - loss: 0.6368 - acc: 1.0000
Epoch 45/100
1/1 - 0s - loss: 0.6352 - acc: 1.0000
Epoch 46/100
1/1 - 0s - loss: 0.6336 - acc: 1.0000
Epoch 47/100
1/1 - 0s - loss: 0.6320 - acc: 1.0000
Epoch 48/100
1/1 - 0s - loss: 0.6304 - acc: 1.0000
Epoch 49/100
1/1 - 0s - loss: 0.6287 - acc: 1.0000
Epoch 50/100
1/1 - 0s - loss: 0.6271 - acc: 1.0000
Epoch 51/100
1/1 - 0s - loss: 0.6254 - acc: 1.0000
Epoch 52/100
1/1 - 0s - loss: 0.6237 - acc: 1.0000
Epoch 53/100
1/1 - 0s - loss: 0.6220 - acc: 1.0000
Epoch 54/100
1/1 - 0s - loss: 0.6203 - acc: 1.0000
Epoch 55/100
1/1 - 0s - loss: 0.6186 - acc: 1.0000
Epoch 56/100
1/1 - 0s - loss: 0.6169 - acc: 1.0000
Epoch 57/100
1/1 - 0s - loss: 0.6152 - acc: 1.0000
Epoch 58/100
1/1 - 0s - loss: 0.6135 - acc: 1.0000
Epoch 59/100
1/1 - 0s - loss: 0.6117 - acc: 1.0000
Epoch 60/100
1/1 - 0s - loss: 0.6100 - acc: 1.0000
Epoch 61/100
1/1 - 0s - loss: 0.6082 - acc: 1.0000
Epoch 62/100
1/1 - 0s - loss: 0.6065 - acc: 1.0000
Epoch 63/100
1/1 - 0s - loss: 0.6047 - acc: 1.0000
Epoch 64/100
1/1 - 0s - loss: 0.6029 - acc: 1.0000
Epoch 65/100
1/1 - 0s - loss: 0.6011 - acc: 1.0000
Epoch 66/100
1/1 - 0s - loss: 0.5993 - acc: 1.0000
Epoch 67/100
1/1 - 0s - loss: 0.5975 - acc: 1.0000
Epoch 68/100
1/1 - 0s - loss: 0.5956 - acc: 1.0000
Epoch 69/100
1/1 - 0s - loss: 0.5938 - acc: 1.0000
Epoch 70/100
1/1 - 0s - loss: 0.5920 - acc: 1.0000
Epoch 71/100
1/1 - 0s - loss: 0.5901 - acc: 1.0000
Epoch 72/100
1/1 - 0s - loss: 0.5882 - acc: 1.0000
Epoch 73/100
1/1 - 0s - loss: 0.5864 - acc: 1.0000
Epoch 74/100
1/1 - 0s - loss: 0.5845 - acc: 1.0000
Epoch 75/100
1/1 - 0s - loss: 0.5826 - acc: 1.0000
Epoch 76/100
1/1 - 0s - loss: 0.5807 - acc: 1.0000
Epoch 77/100
1/1 - 0s - loss: 0.5788 - acc: 1.0000
Epoch 78/100
1/1 - 0s - loss: 0.5769 - acc: 1.0000
Epoch 79/100
1/1 - 0s - loss: 0.5750 - acc: 1.0000
Epoch 80/100
1/1 - 0s - loss: 0.5731 - acc: 1.0000
Epoch 81/100
1/1 - 0s - loss: 0.5711 - acc: 1.0000
Epoch 82/100
1/1 - 0s - loss: 0.5692 - acc: 1.0000
Epoch 83/100
1/1 - 0s - loss: 0.5672 - acc: 1.0000
Epoch 84/100
1/1 - 0s - loss: 0.5653 - acc: 1.0000
Epoch 85/100
1/1 - 0s - loss: 0.5633 - acc: 1.0000
Epoch 86/100
1/1 - 0s - loss: 0.5614 - acc: 1.0000
Epoch 87/100
1/1 - 0s - loss: 0.5594 - acc: 1.0000
Epoch 88/100
1/1 - 0s - loss: 0.5574 - acc: 1.0000
Epoch 89/100
1/1 - 0s - loss: 0.5554 - acc: 1.0000
Epoch 90/100
1/1 - 0s - loss: 0.5534 - acc: 1.0000
Epoch 91/100
1/1 - 0s - loss: 0.5514 - acc: 1.0000
Epoch 92/100
1/1 - 0s - loss: 0.5494 - acc: 1.0000
Epoch 93/100
1/1 - 0s - loss: 0.5474 - acc: 1.0000
Epoch 94/100
1/1 - 0s - loss: 0.5454 - acc: 1.0000
Epoch 95/100
1/1 - 0s - loss: 0.5433 - acc: 1.0000
Epoch 96/100
1/1 - 0s - loss: 0.5413 - acc: 1.0000
Epoch 97/100
1/1 - 0s - loss: 0.5393 - acc: 1.0000
Epoch 98/100
1/1 - 0s - loss: 0.5372 - acc: 1.0000
Epoch 99/100
1/1 - 0s - loss: 0.5352 - acc: 1.0000
Epoch 100/100
1/1 - 0s - loss: 0.5331 - acc: 1.0000

Out[ ]:

<tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7fad4b4b2d68>

In [ ]:

print(X_train)
print(y_train)

[[ 1  2  3  4]
 [ 5  6  0  0]
 [ 7  8  0  0]
 [ 9 10  0  0]
 [11 12  0  0]
 [13  0  0  0]
 [14 15  0  0]]
[1 0 0 1 1 0 1]

In [ ]:

!wget http://nlp.stanford.edu/data/glove.6B.zip
!unzip glove*.zip

--2020-08-18 23:46:00--  http://nlp.stanford.edu/data/glove.6B.zip
Resolving nlp.stanford.edu (nlp.stanford.edu)... 171.64.67.140
Connecting to nlp.stanford.edu (nlp.stanford.edu)|171.64.67.140|:80... connected.
HTTP request sent, awaiting response... 302 Found
Location: https://nlp.stanford.edu/data/glove.6B.zip [following]
--2020-08-18 23:46:00--  https://nlp.stanford.edu/data/glove.6B.zip
Connecting to nlp.stanford.edu (nlp.stanford.edu)|171.64.67.140|:443... connected.
HTTP request sent, awaiting response... 301 Moved Permanently
Location: http://downloads.cs.stanford.edu/nlp/data/glove.6B.zip [following]
--2020-08-18 23:46:01--  http://downloads.cs.stanford.edu/nlp/data/glove.6B.zip
Resolving downloads.cs.stanford.edu (downloads.cs.stanford.edu)... 171.64.64.22
Connecting to downloads.cs.stanford.edu (downloads.cs.stanford.edu)|171.64.64.22|:80... connected.
HTTP request sent, awaiting response... 200 OK
Length: 862182613 (822M) [application/zip]
Saving to: ‘glove.6B.zip’

glove.6B.zip        100%[===================>] 822.24M  2.05MB/s    in 6m 29s  

2020-08-18 23:52:30 (2.11 MB/s) - ‘glove.6B.zip’ saved [862182613/862182613]

Archive:  glove.6B.zip
  inflating: glove.6B.50d.txt        
  inflating: glove.6B.100d.txt       
  inflating: glove.6B.200d.txt       
  inflating: glove.6B.300d.txt

In [ ]:

n=0
f = open('glove.6B.100d.txt', encoding="utf8")

for line in f:
    word_vector = line.split() # 각 줄을 읽어와서 word_vector에 저장.
    print(word_vector) # 각 줄을 출력
    word = word_vector[0] # word_vector에서 첫번째 값만 저장
    print(word) # word_vector의 첫번째 값만 출력
    n=n+1
    if n==2:
        break
f.close()

print(type(word_vector))
print(len(word_vector))

['the', '-0.038194', '-0.24487', '0.72812', '-0.39961', '0.083172', '0.043953', '-0.39141', '0.3344', '-0.57545', '0.087459', '0.28787', '-0.06731', '0.30906', '-0.26384', '-0.13231', '-0.20757', '0.33395', '-0.33848', '-0.31743', '-0.48336', '0.1464', '-0.37304', '0.34577', '0.052041', '0.44946', '-0.46971', '0.02628', '-0.54155', '-0.15518', '-0.14107', '-0.039722', '0.28277', '0.14393', '0.23464', '-0.31021', '0.086173', '0.20397', '0.52624', '0.17164', '-0.082378', '-0.71787', '-0.41531', '0.20335', '-0.12763', '0.41367', '0.55187', '0.57908', '-0.33477', '-0.36559', '-0.54857', '-0.062892', '0.26584', '0.30205', '0.99775', '-0.80481', '-3.0243', '0.01254', '-0.36942', '2.2167', '0.72201', '-0.24978', '0.92136', '0.034514', '0.46745', '1.1079', '-0.19358', '-0.074575', '0.23353', '-0.052062', '-0.22044', '0.057162', '-0.15806', '-0.30798', '-0.41625', '0.37972', '0.15006', '-0.53212', '-0.2055', '-1.2526', '0.071624', '0.70565', '0.49744', '-0.42063', '0.26148', '-1.538', '-0.30223', '-0.073438', '-0.28312', '0.37104', '-0.25217', '0.016215', '-0.017099', '-0.38984', '0.87424', '-0.72569', '-0.51058', '-0.52028', '-0.1459', '0.8278', '0.27062']
the
[',', '-0.10767', '0.11053', '0.59812', '-0.54361', '0.67396', '0.10663', '0.038867', '0.35481', '0.06351', '-0.094189', '0.15786', '-0.81665', '0.14172', '0.21939', '0.58505', '-0.52158', '0.22783', '-0.16642', '-0.68228', '0.3587', '0.42568', '0.19021', '0.91963', '0.57555', '0.46185', '0.42363', '-0.095399', '-0.42749', '-0.16567', '-0.056842', '-0.29595', '0.26037', '-0.26606', '-0.070404', '-0.27662', '0.15821', '0.69825', '0.43081', '0.27952', '-0.45437', '-0.33801', '-0.58184', '0.22364', '-0.5778', '-0.26862', '-0.20425', '0.56394', '-0.58524', '-0.14365', '-0.64218', '0.0054697', '-0.35248', '0.16162', '1.1796', '-0.47674', '-2.7553', '-0.1321', '-0.047729', '1.0655', '1.1034', '-0.2208', '0.18669', '0.13177', '0.15117', '0.7131', '-0.35215', '0.91348', '0.61783', '0.70992', '0.23955', '-0.14571', '-0.37859', '-0.045959', '-0.47368', '0.2385', '0.20536', '-0.18996', '0.32507', '-1.1112', '-0.36341', '0.98679', '-0.084776', '-0.54008', '0.11726', '-1.0194', '-0.24424', '0.12771', '0.013884', '0.080374', '-0.35414', '0.34951', '-0.7226', '0.37549', '0.4441', '-0.99059', '0.61214', '-0.35111', '-0.83155', '0.45293', '0.082577']
,
<class 'list'>
101

In [ ]:

import numpy as np
embedding_dict = dict()
f = open('glove.6B.100d.txt', encoding="utf8")

for line in f:
    word_vector = line.split()
    word = word_vector[0]
    word_vector_arr = np.asarray(word_vector[1:], dtype='float32') # 100개의 값을 가지는 array로 변환
    embedding_dict[word] = word_vector_arr
f.close()
print('%s개의 Embedding vector가 있습니다.' % len(embedding_dict))
print(embedding_dict['respectable'])
print(len(embedding_dict['respectable']))

embedding_matrix = np.zeros((vocab_size, 100))
# 단어 집합 크기의 행과 100개의 열을 가지는 행렬 생성. 값은 전부 0으로 채워진다.
np.shape(embedding_matrix)
print(t.word_index.items())

for word, i in t.word_index.items(): # 훈련 데이터의 단어 집합에서 단어를 1개씩 꺼내온다.
    temp = embedding_dict.get(word) # 단어(key) 해당되는 임베딩 벡터의 100개의 값(value)를 임시 변수에 저장
    if temp is not None:
        embedding_matrix[i] = temp # 임수 변수의 값을 단어와 맵핑되는 인덱스의 행에 삽입

400000개의 Embedding vector가 있습니다.
[-0.049773   0.19903    0.10585    0.1391    -0.32395    0.44053
  0.3947    -0.22805   -0.25793    0.49768    0.15384   -0.08831
  0.0782    -0.8299    -0.037788   0.16772   -0.45197   -0.17085
  0.74756    0.98256    0.81872    0.28507    0.16178   -0.48626
 -0.006265  -0.92469   -0.30625   -0.067318  -0.046762  -0.76291
 -0.0025264 -0.018795   0.12882   -0.52457    0.3586     0.43119
 -0.89477   -0.057421  -0.53724    0.25587    0.55195    0.44698
 -0.24252    0.29946    0.25776   -0.8717     0.68426   -0.05688
 -0.1848    -0.59352   -0.11227   -0.57692   -0.013593   0.18488
 -0.32507   -0.90171    0.17672    0.075601   0.54896   -0.21488
 -0.54018   -0.45882   -0.79536    0.26331    0.18879   -0.16363
  0.3975     0.1099     0.1164    -0.083499   0.50159    0.35802
  0.25677    0.088546   0.42108    0.28674   -0.71285   -0.82915
  0.15297   -0.82712    0.022112   1.067     -0.31776    0.1211
 -0.069755  -0.61327    0.27308   -0.42638   -0.085084  -0.17694
 -0.0090944  0.1109     0.62543   -0.23682   -0.44928   -0.3667
 -0.21616   -0.19187   -0.032502   0.38025  ]
100
dict_items([('nice', 1), ('great', 2), ('best', 3), ('amazing', 4), ('stop', 5), ('lies', 6), ('pitiful', 7), ('nerd', 8), ('excellent', 9), ('work', 10), ('supreme', 11), ('quality', 12), ('bad', 13), ('highly', 14), ('respectable', 15)])

In [ ]:

from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Dense, Embedding, Flatten

model = Sequential()
e = Embedding(vocab_size, 100, weights=[embedding_matrix], input_length=max_len, trainable=False)

model.add(e)
model.add(Flatten())
model.add(Dense(1, activation='sigmoid'))
model.compile(optimizer='adam', loss='binary_crossentropy', metrics=['acc'])
model.fit(X_train, y_train, epochs=100, verbose=2)

Epoch 1/100
1/1 - 0s - loss: 0.6723 - acc: 0.4286
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1/1 - 0s - loss: 0.1063 - acc: 1.0000
Epoch 95/100
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Epoch 96/100
1/1 - 0s - loss: 0.1036 - acc: 1.0000
Epoch 97/100
1/1 - 0s - loss: 0.1022 - acc: 1.0000
Epoch 98/100
1/1 - 0s - loss: 0.1009 - acc: 1.0000
Epoch 99/100
1/1 - 0s - loss: 0.0997 - acc: 1.0000
Epoch 100/100
1/1 - 0s - loss: 0.0984 - acc: 1.0000

Out[ ]:

<tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7fad45137be0>

In [ ]:

import numpy as np
import gensim

# 현재 위치에 구글의 사전 훈련된 Word2Vec을 다운로드
!wget "https://s3.amazonaws.com/dl4j-distribution/GoogleNews-vectors-negative300.bin.gz"

# 구글의 사전 훈련된 Word2vec 모델을 로드합니다.
word2vec_model = gensim.models.KeyedVectors.load_word2vec_format('GoogleNews-vectors-negative300.bin.gz', binary=True)  

print(word2vec_model.vectors.shape) # 모델의 크기 확인

embedding_matrix = np.zeros((vocab_size, 300))
# 단어 집합 크기의 행과 300개의 열을 가지는 행렬 생성. 값은 전부 0으로 채워진다.
np.shape(embedding_matrix)

def get_vector(word):
    if word in word2vec_model:
        return word2vec_model[word]
    else:
        return None

for word, i in t.word_index.items(): # 훈련 데이터의 단어 집합에서 단어와 정수 인덱스를 1개씩 꺼내온다.
    temp = get_vector(word) # 단어(key) 해당되는 임베딩 벡터의 300개의 값(value)를 임시 변수에 저장
    if temp is not None: # 만약 None이 아니라면 임베딩 벡터의 값을 리턴받은 것이므로
        embedding_matrix[i] = temp # 해당 단어 위치의 행에 벡터의 값을 저장한다.

print(word2vec_model['nice'])

print('단어 nice의 정수 인덱스 :', t.word_index['nice'])

print(embedding_matrix[1])

--2020-08-18 23:53:25--  https://s3.amazonaws.com/dl4j-distribution/GoogleNews-vectors-negative300.bin.gz
Resolving s3.amazonaws.com (s3.amazonaws.com)... 52.216.108.29
Connecting to s3.amazonaws.com (s3.amazonaws.com)|52.216.108.29|:443... connected.
HTTP request sent, awaiting response... 200 OK
Length: 1647046227 (1.5G) [application/x-gzip]
Saving to: ‘GoogleNews-vectors-negative300.bin.gz’

GoogleNews-vectors- 100%[===================>]   1.53G  16.4MB/s    in 99s     

2020-08-18 23:55:04 (15.9 MB/s) - ‘GoogleNews-vectors-negative300.bin.gz’ saved [1647046227/1647046227]

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/smart_open/smart_open_lib.py:254: UserWarning: This function is deprecated, use smart_open.open instead. See the migration notes for details: https://github.com/RaRe-Technologies/smart_open/blob/master/README.rst#migrating-to-the-new-open-function
  'See the migration notes for details: %s' % _MIGRATION_NOTES_URL

(3000000, 300)
[ 0.15820312  0.10595703 -0.18945312  0.38671875  0.08349609 -0.26757812
  0.08349609  0.11328125 -0.10400391  0.17871094 -0.12353516 -0.22265625
 -0.01806641 -0.25390625  0.13183594  0.0859375   0.16113281  0.11083984
 -0.11083984 -0.0859375   0.0267334   0.34570312  0.15136719 -0.00415039
  0.10498047  0.04907227 -0.06982422  0.08642578  0.03198242 -0.02844238
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  0.11767578  0.08642578 -0.01123047  0.25976562  0.28515625 -0.11669922
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 -0.12158203 -0.08691406 -0.12890625  0.27734375  0.265625    0.1796875
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 -0.0390625   0.30078125 -0.04541016 -0.00424194  0.13671875 -0.18945312
 -0.21777344  0.12695312 -0.02746582 -0.18164062  0.08984375 -0.23339844
  0.203125    0.2734375  -0.26953125  0.15332031 -0.20703125 -0.01153564
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단어 nice의 정수 인덱스 : 1
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In [ ]:

from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Dense, Embedding, Flatten

model = Sequential()
e = Embedding(vocab_size, 300, weights=[embedding_matrix], input_length=max_len, trainable=False)
model.add(e)
model.add(Flatten())
model.add(Dense(1, activation='sigmoid'))
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1/1 - 0s - loss: 0.1504 - acc: 1.0000
Epoch 79/100
1/1 - 0s - loss: 0.1483 - acc: 1.0000
Epoch 80/100
1/1 - 0s - loss: 0.1463 - acc: 1.0000
Epoch 81/100
1/1 - 0s - loss: 0.1442 - acc: 1.0000
Epoch 82/100
1/1 - 0s - loss: 0.1423 - acc: 1.0000
Epoch 83/100
1/1 - 0s - loss: 0.1404 - acc: 1.0000
Epoch 84/100
1/1 - 0s - loss: 0.1385 - acc: 1.0000
Epoch 85/100
1/1 - 0s - loss: 0.1366 - acc: 1.0000
Epoch 86/100
1/1 - 0s - loss: 0.1348 - acc: 1.0000
Epoch 87/100
1/1 - 0s - loss: 0.1330 - acc: 1.0000
Epoch 88/100
1/1 - 0s - loss: 0.1313 - acc: 1.0000
Epoch 89/100
1/1 - 0s - loss: 0.1296 - acc: 1.0000
Epoch 90/100
1/1 - 0s - loss: 0.1279 - acc: 1.0000
Epoch 91/100
1/1 - 0s - loss: 0.1263 - acc: 1.0000
Epoch 92/100
1/1 - 0s - loss: 0.1247 - acc: 1.0000
Epoch 93/100
1/1 - 0s - loss: 0.1231 - acc: 1.0000
Epoch 94/100
1/1 - 0s - loss: 0.1216 - acc: 1.0000
Epoch 95/100
1/1 - 0s - loss: 0.1201 - acc: 1.0000
Epoch 96/100
1/1 - 0s - loss: 0.1186 - acc: 1.0000
Epoch 97/100
1/1 - 0s - loss: 0.1172 - acc: 1.0000
Epoch 98/100
1/1 - 0s - loss: 0.1157 - acc: 1.0000
Epoch 99/100
1/1 - 0s - loss: 0.1143 - acc: 1.0000
Epoch 100/100
1/1 - 0s - loss: 0.1130 - acc: 1.0000

Out[ ]:

<tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7fad063b25c0>

2020-09-17 게시 됨2021-08-22 업데이트 됨Study / AI9시간안에 읽기 (약 85080 단어)

1주차 - 딥러닝을 이용한 자연어처리 입문(위키독스)

deeplearning_with_nlp

In [ ]:

from google.colab import drive
drive.mount('/content/drive')

Go to this URL in a browser: https://accounts.google.com/o/oauth2/auth?client_id=947318989803-6bn6qk8qdgf4n4g3pfee6491hc0brc4i.apps.googleusercontent.com&redirect_uri=urn%3aietf%3awg%3aoauth%3a2.0%3aoob&response_type=code&scope=email%20https%3a%2f%2fwww.googleapis.com%2fauth%2fdocs.test%20https%3a%2f%2fwww.googleapis.com%2fauth%2fdrive%20https%3a%2f%2fwww.googleapis.com%2fauth%2fdrive.photos.readonly%20https%3a%2f%2fwww.googleapis.com%2fauth%2fpeopleapi.readonly

Enter your authorization code:
··········
Mounted at /content/drive

Library¶

1. Tensorflow¶

구글이 2015년에 공개한 머신 러닝 오픈소스 라이브러리.

머신 러닝과 딥 러닝을 직관적이고 손쉽게 할 수 있도록 설계되었음.

2. Keras¶

딥 러닝 프레임워크인 텐서플로우에 대한 추상화 된 API를 제공.

텐서플로우보다 간단한 코드 작성 가능.

3. Gensim¶

토픽 모델링과 자연어 처리 등을 수행할 수 있게 해주는 오픈 소스 라이브러리.

Word2Vec과 토픽모델링 사용 가능.

4. Scikit-learn¶

나이브 베이즈 분류, 서포트 벡터 머신 등 다양한 머신 러닝 모듈 제공.

아이리스 데이터, 당뇨병 데이터 등 자체 데이터 제공.

In [ ]:

import nltk
nltk.download('treebank')

[nltk_data] Downloading package treebank to /root/nltk_data...
[nltk_data]   Unzipping corpora/treebank.zip.

Out[ ]:

True

In [ ]:

!pip install konlpy

Collecting konlpy
  Downloading https://files.pythonhosted.org/packages/85/0e/f385566fec837c0b83f216b2da65db9997b35dd675e107752005b7d392b1/konlpy-0.5.2-py2.py3-none-any.whl (19.4MB)
     |████████████████████████████████| 19.4MB 1.3MB/s 
Requirement already satisfied: numpy>=1.6 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from konlpy) (1.18.5)
Collecting JPype1>=0.7.0
  Downloading https://files.pythonhosted.org/packages/8b/f7/a368401e630f0e390dd0e62c39fb928e5b23741b53c2360ee7d376660927/JPype1-1.0.2-cp36-cp36m-manylinux2010_x86_64.whl (3.8MB)
     |████████████████████████████████| 3.8MB 47.7MB/s 
Collecting colorama
  Downloading https://files.pythonhosted.org/packages/c9/dc/45cdef1b4d119eb96316b3117e6d5708a08029992b2fee2c143c7a0a5cc5/colorama-0.4.3-py2.py3-none-any.whl
Requirement already satisfied: lxml>=4.1.0 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from konlpy) (4.2.6)
Collecting tweepy>=3.7.0
  Downloading https://files.pythonhosted.org/packages/bb/7c/99d51f80f3b77b107ebae2634108717362c059a41384a1810d13e2429a81/tweepy-3.9.0-py2.py3-none-any.whl
Collecting beautifulsoup4==4.6.0
  Downloading https://files.pythonhosted.org/packages/9e/d4/10f46e5cfac773e22707237bfcd51bbffeaf0a576b0a847ec7ab15bd7ace/beautifulsoup4-4.6.0-py3-none-any.whl (86kB)
     |████████████████████████████████| 92kB 8.4MB/s 
Requirement already satisfied: typing-extensions; python_version < "3.8" in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from JPype1>=0.7.0->konlpy) (3.7.4.2)
Requirement already satisfied: requests[socks]>=2.11.1 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from tweepy>=3.7.0->konlpy) (2.23.0)
Requirement already satisfied: six>=1.10.0 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from tweepy>=3.7.0->konlpy) (1.15.0)
Requirement already satisfied: requests-oauthlib>=0.7.0 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from tweepy>=3.7.0->konlpy) (1.3.0)
Requirement already satisfied: chardet<4,>=3.0.2 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from requests[socks]>=2.11.1->tweepy>=3.7.0->konlpy) (3.0.4)
Requirement already satisfied: idna<3,>=2.5 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from requests[socks]>=2.11.1->tweepy>=3.7.0->konlpy) (2.10)
Requirement already satisfied: certifi>=2017.4.17 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from requests[socks]>=2.11.1->tweepy>=3.7.0->konlpy) (2020.6.20)
Requirement already satisfied: urllib3!=1.25.0,!=1.25.1,<1.26,>=1.21.1 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from requests[socks]>=2.11.1->tweepy>=3.7.0->konlpy) (1.24.3)
Requirement already satisfied: PySocks!=1.5.7,>=1.5.6; extra == "socks" in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from requests[socks]>=2.11.1->tweepy>=3.7.0->konlpy) (1.7.1)
Requirement already satisfied: oauthlib>=3.0.0 in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from requests-oauthlib>=0.7.0->tweepy>=3.7.0->konlpy) (3.1.0)
Installing collected packages: JPype1, colorama, tweepy, beautifulsoup4, konlpy
  Found existing installation: tweepy 3.6.0
    Uninstalling tweepy-3.6.0:
      Successfully uninstalled tweepy-3.6.0
  Found existing installation: beautifulsoup4 4.6.3
    Uninstalling beautifulsoup4-4.6.3:
      Successfully uninstalled beautifulsoup4-4.6.3
Successfully installed JPype1-1.0.2 beautifulsoup4-4.6.0 colorama-0.4.3 konlpy-0.5.2 tweepy-3.9.0

In [ ]:

import konlpy
konlpy.__version__

Out[ ]:

'0.5.2'

Pandas¶

1. Series¶

시리즈 클래스는 1차원 배열의 값(values)에 각 값에 대응되는 인덱스(index)를 부여할 수 있는 구조

2. Data Frame¶

데이터프레임은 2차원 리스트를 매개변수로 전달.
2차원이므로 행방향 인덱스(index)와 열방향 인덱스(column)가 존재. 즉, 행과 열을 가지는 자료구조임.
시리즈가 인덱스(index)와 값(values)으로 구성된다면, 데이터프레임은 열(columns)까지 추가되어 열(columns), 인덱스(index), 값(values)으로 구성됨.
df.head(n) - 앞 부분을 n개만 보기
df.tail(n) - 뒷 부분을 n개만 보기
df['열이름'] - 해당되는 열을 확인

In [ ]:

import pandas as pd

In [ ]:

sr = pd.Series([17000, 18000, 1000, 5000],
       index=["피자", "치킨", "콜라", "맥주"])
print(sr)
print(sr.values)
print(sr.index)

피자    17000
치킨    18000
콜라     1000
맥주     5000
dtype: int64
[17000 18000  1000  5000]
Index(['피자', '치킨', '콜라', '맥주'], dtype='object')

In [ ]:

values = [[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]
index = ['one', 'two', 'three']
columns = ['A', 'B', 'C']

df = pd.DataFrame(values, index=index, columns=columns)
print(df)

       A  B  C
one    1  2  3
two    4  5  6
three  7  8  9

In [ ]:

print(df.index)
print(df.columns)
print(df.values)

Index(['one', 'two', 'three'], dtype='object')
Index(['A', 'B', 'C'], dtype='object')
[[1 2 3]
 [4 5 6]
 [7 8 9]]

In [ ]:

data = [
    ['1000', 'Steve', 90.72], 
    ['1001', 'James', 78.09], 
    ['1002', 'Doyeon', 98.43], 
    ['1003', 'Jane', 64.19], 
    ['1004', 'Pilwoong', 81.30],
    ['1005', 'Tony', 99.14],
]
df = pd.DataFrame(data)
print(df)

      0         1      2
0  1000     Steve  90.72
1  1001     James  78.09
2  1002    Doyeon  98.43
3  1003      Jane  64.19
4  1004  Pilwoong  81.30
5  1005      Tony  99.14

In [ ]:

df = pd.DataFrame(data, columns=['학번', '이름', '점수'])
print(df)

     학번        이름     점수
0  1000     Steve  90.72
1  1001     James  78.09
2  1002    Doyeon  98.43
3  1003      Jane  64.19
4  1004  Pilwoong  81.30
5  1005      Tony  99.14

In [ ]:

data = { '학번' : ['1000', '1001', '1002', '1003', '1004', '1005'],
'이름' : [ 'Steve', 'James', 'Doyeon', 'Jane', 'Pilwoong', 'Tony'],
         '점수': [90.72, 78.09, 98.43, 64.19, 81.30, 99.14]}

df = pd.DataFrame(data)
print(df)

     학번        이름     점수
0  1000     Steve  90.72
1  1001     James  78.09
2  1002    Doyeon  98.43
3  1003      Jane  64.19
4  1004  Pilwoong  81.30
5  1005      Tony  99.14

In [ ]:

print(df.head(3))
print(df.tail(3))
print(df['학번'])

     학번      이름     점수
0  1000   Steve  90.72
1  1001   James  78.09
2  1002  Doyeon  98.43
     학번        이름     점수
3  1003      Jane  64.19
4  1004  Pilwoong  81.30
5  1005      Tony  99.14
0    1000
1    1001
2    1002
3    1003
4    1004
5    1005
Name: 학번, dtype: object

In [ ]:

print(df.index)

RangeIndex(start=0, stop=6, step=1)

NUMPY¶

np.array() # 리스트, 튜플, 배열로 부터 ndarray를 생성
np.asarray() # 기존의 array로 부터 ndarray를 생성
np.arange() # range와 비슷
np.linspace(start, end, num) # [start, end] 균일한 간격으로 num개 생성
np.logspace(start, end, num) # [start, end] log scale 간격으로 num개 생성

In [ ]:

import numpy as np

In [ ]:

a = np.array([1, 2, 3, 4, 5]) #리스트를 가지고 1차원 배열 생성
print(type(a))
print(a)

<class 'numpy.ndarray'>
[1 2 3 4 5]

In [ ]:

b = np.array([[10, 20, 30], [ 60, 70, 80]]) 
print(b)

[[10 20 30]
 [60 70 80]]

In [ ]:

print(a.ndim) #차원 출력
print(a.shape) #크기 출력
print(b.ndim) #차원 출력
print(b.shape) #크기 출력

1
(5,)
2
(2, 3)

In [ ]:

a = np.zeros((2,3)) # 모든값이 0인 2x3 배열 생성.
print(a)

[[0. 0. 0.]
 [0. 0. 0.]]

In [ ]:

a = np.ones((2,3)) # 모든값이 1인 2x3 배열 생성.
print(a)

[[1. 1. 1.]
 [1. 1. 1.]]

In [ ]:

a = np.full((2,2), 7) # 모든 값이 특정 상수인 배열 생성. 이 경우에는 7.
print(a)

[[7 7]
 [7 7]]

In [ ]:

a = np.eye(3) # 대각선으로는 1이고 나머지는 0인 2차원 배열을 생성.
print(a)

[[1. 0. 0.]
 [0. 1. 0.]
 [0. 0. 1.]]

In [ ]:

a = np.random.random((2,2)) # 임의의 값으로 채워진 배열 생성
print(a)

[[0.2902947  0.2354292 ]
 [0.77328122 0.21608107]]

In [ ]:

a = np.arange(10) #0부터 9까지
print(a)

[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9]

In [ ]:

a = np.arange(1, 10, 2) #1부터 9까지 +2씩 적용되는 범위
print(a)

[1 3 5 7 9]

In [ ]:

a = np.array(np.arange(30)).reshape((5,6))
print(a)

[[ 0  1  2  3  4  5]
 [ 6  7  8  9 10 11]
 [12 13 14 15 16 17]
 [18 19 20 21 22 23]
 [24 25 26 27 28 29]]

In [ ]:

a = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
print(a)

[[1 2 3]
 [4 5 6]]

In [ ]:

b=a[0:2, 0:2]
print(b)

[[1 2]
 [4 5]]

In [ ]:

b=a[0, :] # 첫번째 행 출력
print(b)

[1 2 3]

In [ ]:

b=a[:, 1] # 두번째 열 출력
print(b)

[2 5]

In [ ]:

a = np.array([[1,2], [4,5], [7,8]])
print(a)
b = a[[2, 1],[1, 0]] # a[[row2, row1],[col1, col0]]을 의미함.
print(b)

[[1 2]
 [4 5]
 [7 8]]
[8 4]

In [ ]:

x = np.array([1,2,3])
y = np.array([4,5,6])

In [ ]:

# b = x + y # 각 요소에 대해서 더함
b = np.add(x, y)
print(b)

[5 7 9]

In [ ]:

# b = x - y # 각 요소에 대해서 빼기
b = np.subtract(x, y)
print(b)

[-3 -3 -3]

In [ ]:

# b = b * x # 각 요소에 대해서 곱셈
b = np.multiply(b, x) # 와 동일함
print(b)

[-3 -6 -9]

In [ ]:

# b = b / x # 각 요소에 대해서 나눗셈
b = np.divide(b, x) # 와 동일함
print(b)

[-3. -3. -3.]

In [ ]:

a = np.array([[1,2],[3,4]])
b = np.array([[5,6],[7,8]])

c = np.dot(a, b) # 행렬곱
d = a * b # 각 위치의 곱
print(c)
print(d)

[[19 22]
 [43 50]]
[[ 5 12]
 [21 32]]

Matplotlib¶

데이터를 차트(chart)나 플롯(plot)으로 시각화(visulaization)하는 패키지

In [ ]:

import matplotlib

In [ ]:

%matplotlib inline # 주피터 노트북에 그림을 표시하도록 지정
import matplotlib.pyplot as plt

In [ ]:

plt.title('test')
plt.plot([1,2,3,4],[2,4,8,6])
plt.show()

In [ ]:

plt.title('test')
plt.plot([1,2,3,4],[2,4,8,6])
plt.xlabel('hours')
plt.ylabel('score')
plt.show()

In [ ]:

plt.title('students')
plt.plot([1,2,3,4],[2,4,8,6]) # (1, 2), (2, 4), (3, 8), (4, 6)
plt.plot([1.5,2.5,3.5,4.5],[3,5,8,10]) #라인 새로 추가 (1.5, 3), (2.5, 5), (3.5, 8), (4.5, 10)
plt.xlabel('hours')
plt.ylabel('score')
plt.legend(['A student', 'B student']) #범례 삽입
plt.show()

Pandas Profiling¶

In [ ]:

import pandas as pd
import pandas_profiling
data = pd.read_csv('/spam.csv',encoding='latin1')
data[:5]

Out[ ]:

	v1	v2	Unnamed: 2	Unnamed: 3	Unnamed: 4
0	ham	Go until jurong point, crazy.. Available only ...	NaN	NaN	NaN
1	ham	Ok lar... Joking wif u oni...	NaN	NaN	NaN
2	spam	Free entry in 2 a wkly comp to win FA Cup fina...	NaN	NaN	NaN
3	ham	U dun say so early hor... U c already then say...	NaN	NaN	NaN
4	ham	Nah I don't think he goes to usf, he lives aro...	NaN	NaN	NaN

In [ ]:

pr=data.profile_report()
pr

Out[ ]:

텍스트 전처리 (Text preprocessing)¶

Tokenization¶

전처리의 종류: 토큰화(tokenization), 정제(cleaning), 정규화(normalization)
토큰화란? 주어진 코퍼스(corpus)에서 토큰(token)이라 불리는 단위로 나누는 작업. 토큰의 단위가 상황에 따라 다르지만, 보통 의미있는 단위(한국어에서의 최소단위: 형태소)로 토큰을 정의합니다.

Word Tokenization¶

토큰의 기준을 단어(word)로 하는 경우.
ex) 구두점(punctuation)을 기준으로 토큰화
- 입력: Time is an illusion. Lunchtime double so!
- 출력 : "Time", "is", "an", "illustion", "Lunchtime", "double", "so"
보통 토큰화 작업은 단순히 구두점이나 특수문자를 전부 제거하는 정제(cleaning) 작업을 수행하는 것만으로 해결되지 않음. 구두점이나 특수문자를 전부 제거하면 토큰이 의미를 잃어버리는 경우가 발생하기도 한다. 심지어 띄어쓰기 단위로 자르면 사실상 단어 토큰이 구분되는 영어와 달리, 한국어는 띄어쓰기만으로는 단어 토큰을 구분하기 어려움.

In [ ]:

!pip install nltk

Requirement already satisfied: nltk in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (3.2.5)
Requirement already satisfied: six in /usr/local/lib/python3.6/dist-packages (from nltk) (1.15.0)

In [ ]:

nltk.download('punkt')
from nltk.tokenize import word_tokenize  
print(word_tokenize("Don't be fooled by the dark sounding name, Mr. Jone's Orphanage is as cheery as cheery goes for a pastry shop."))  

[nltk_data] Downloading package punkt to /root/nltk_data...
[nltk_data]   Unzipping tokenizers/punkt.zip.
['Do', "n't", 'be', 'fooled', 'by', 'the', 'dark', 'sounding', 'name', ',', 'Mr.', 'Jone', "'s", 'Orphanage', 'is', 'as', 'cheery', 'as', 'cheery', 'goes', 'for', 'a', 'pastry', 'shop', '.']

In [ ]:

from nltk.tokenize import WordPunctTokenizer  
print(WordPunctTokenizer().tokenize("Don't be fooled by the dark sounding name, Mr. Jone's Orphanage is as cheery as cheery goes for a pastry shop."))

['Don', "'", 't', 'be', 'fooled', 'by', 'the', 'dark', 'sounding', 'name', ',', 'Mr', '.', 'Jone', "'", 's', 'Orphanage', 'is', 'as', 'cheery', 'as', 'cheery', 'goes', 'for', 'a', 'pastry', 'shop', '.']

In [ ]:

from tensorflow.keras.preprocessing.text import text_to_word_sequence
print(text_to_word_sequence("Don't be fooled by the dark sounding name, Mr. Jone's Orphanage is as cheery as cheery goes for a pastry shop."))

["don't", 'be', 'fooled', 'by', 'the', 'dark', 'sounding', 'name', 'mr', "jone's", 'orphanage', 'is', 'as', 'cheery', 'as', 'cheery', 'goes', 'for', 'a', 'pastry', 'shop']

토큰화에서 고려해야할 사항¶

토큰화 작업을 단순하게 코퍼스에서 구두점을 제외하고 공백 기준으로 잘라내는 작업이라고 간주할 수는 없다.

1. 구두점이나 특수 문자를 단순 제외해서는 안 된다.¶

구두점조차도 하나의 토큰으로 분류될 수 있기 때문.
온점(.)과 같은 경우는 문장의 경계를 알 수 있는데 도움이 되므로 단어를 뽑아낼 때, 온점(.)을 제외하지 않을 수 있다.
단어 자체에서 구두점을 갖고 있는 경우도 있음. m.p.h, Ph.D, AT&T.
달러($)나 슬래시(/)로 예를 들어보면, $45.55와 같은 가격을 의미 하기도 하고, 01/02/06은 날짜를 의미하기도 함. 보통 이런 경우 45와 55로 따로 분류해서는 안됨.
숫자 사이에 컴마(,)가 들어가는 경우도 있습니다. 보통 수치나 가격을 표현할 때는 123,456,789, 100,000₩ 와 같이 세 자리 단위로 컴마가 들어갑니다.

2. 줄임말과 단어 내에 띄어쓰기가 있는 경우.¶

토큰화 작업에서 종종 영어권 언어의 어퍼스트로피(')는 압축된 단어를 다시 펼치는 역할을 하기도 한다. 예를 들어 what're는 what are의 줄임말이며, we're는 we are의 줄임말임. 이 예에서 re를 접어(clitic)라고 하는데, 즉 단어가 줄임말로 쓰일 때 생기는 형태이다. I am을 줄인 I'm에서, m이 접어임.
New York이라는 단어나 rock 'n' roll은 하나의 단어이지만 중간에 띄어쓰기가 존재한다. 사용 용도에 따라서, 하나의 단어 사이에 띄어쓰기가 있는 경우에도 하나의 토큰으로 봐야하는 경우도 있을 수 있으므로, 토큰화 작업은 저러한 단어를 하나로 인식할 수 있는 능력이 필요.

3. 표준 토큰화 예제¶

Penn Treebank Tokenization¶

규칙 1. 하이푼으로 구성된 단어는 하나로 유지한다.
규칙 2. doesn't와 같이 아포스트로피로 '접어'가 함께하는 단어는 분리해준다.

In [ ]:

from nltk.tokenize import TreebankWordTokenizer
tokenizer=TreebankWordTokenizer()
text="Starting a home-based restaurant may be an ideal. it doesn't have a food chain or restaurant of their own."
print(tokenizer.tokenize(text))

['Starting', 'a', 'home-based', 'restaurant', 'may', 'be', 'an', 'ideal.', 'it', 'does', "n't", 'have', 'a', 'food', 'chain', 'or', 'restaurant', 'of', 'their', 'own', '.']

문장 토큰화 (Sentence Tokenization)¶

토큰의 단위가 문장(sentence)의 경우 문장토큰화 (sentence tokenization) 또는 문장 분류(sentence segmentation)라고 한다.
코퍼스가 정제되지 않은 상태일 때, 코퍼스는 문장 단위로 구분되어있지 않을 가능성이 높다. 이를 사용하고자 하는 용도에 맞게 하기 위해서는 문장 토큰화가 필요할 수 있음.
!나 ?는 문장의 구분을 위한 꽤 명확한 구분자(boundary) 역할을 하지만 온점은 문장의 끝이 아니더라도 등장할 수 있기 때문에 문장단위의 기준은 항상 달라질 수 있다.

In [ ]:

from nltk.tokenize import sent_tokenize
text="His barber kept his word. But keeping such a huge secret to himself was driving him crazy. Finally, the barber went up a mountain and almost to the edge of a cliff. He dug a hole in the midst of some reeds. He looked about, to mae sure no one was near."
print(sent_tokenize(text))

['His barber kept his word.', 'But keeping such a huge secret to himself was driving him crazy.', 'Finally, the barber went up a mountain and almost to the edge of a cliff.', 'He dug a hole in the midst of some reeds.', 'He looked about, to mae sure no one was near.']

In [ ]:

from nltk.tokenize import sent_tokenize
text="I am actively looking for Ph.D. students. and you are a Ph.D student."
print(sent_tokenize(text))

['I am actively looking for Ph.D. students.', 'and you are a Ph.D student.']

In [ ]:

!pip install kss # korean sentence splitter

Collecting kss
  Downloading https://files.pythonhosted.org/packages/fc/bb/4772901b3b934ac204f32a0bd6fc0567871d8378f9bbc7dd5fd5e16c6ee7/kss-1.3.1.tar.gz
Building wheels for collected packages: kss
  Building wheel for kss (setup.py) ... done
  Created wheel for kss: filename=kss-1.3.1-cp36-cp36m-linux_x86_64.whl size=251531 sha256=b4d4d83c5665e9e9aaa80b69dbc9e63b3ebc96b683e1fddb8d0993b6899e24a8
  Stored in directory: /root/.cache/pip/wheels/8b/98/d1/53f75f89925cd95779824778725ee3fa36e7aa55ed26ad54a8
Successfully built kss
Installing collected packages: kss
Successfully installed kss-1.3.1

In [ ]:

import kss
text='딥 러닝 자연어 처리가 재미있기는 합니다. 그런데 문제는 영어보다 한국어로 할 때 너무 어려워요. 농담아니에요. 이제 해보면 알걸요?'
print(kss.split_sentences(text))

['딥 러닝 자연어 처리가 재미있기는 합니다.', '그런데 문제는 영어보다 한국어로 할 때 너무 어려워요.', '농담아니에요.', '이제 해보면 알걸요?']

5. 이진 분류기(Binary Classifier)¶

온점(.)이 단어의 일부분일 경우. 즉, 온점이 약어(abbreivation)로 쓰이는 경우
온점(.)이 정말로 문장의 구분자(boundary)일 경우

두 개의 클래스를 머신러닝을 통해 분류한다. 이 경우 약어사전(abbreivation)이 유용하게 사용됨.
문장 토큰화를 수행하는 오픈 소스로는 NLTK, OpenNLP, 스탠포드 CoreNLP, splitta, LingPipe 등이 있다.
문장 토큰화 규칙을 짤 때, 발생할 수 있는 여러가지 예외사항을 다룬 참고 링크
https://tech.grammarly.com/blog/posts/How-to-Split-Sentences.html

6. 한국어에서의 토큰화의 어려움.¶

영어는 New York과 같은 합성어나 he's 와 같이 줄임말에 대한 예외처리만 한다면, 띄어쓰기(whitespace)를 기준으로 하는 띄어쓰기 토큰화를 수행해도 단어 토큰화가 잘 작동한다.
반면 한국어는 교착어이기 때문에, 띄어쓰기 단어가 되는 '어절' 토큰화는 한국어 NLP에서 지양된다.
1. 한국어에는 '조사'가 존재한다.
  - '그가', '그에게', '그를', '그와', '그는'과 같이 다양한 조사가 띄어쓰기 없이 바로 붙게되는데, 이 경우 정제 시 같은 단어임에도 다른 단어로 인식됨. 따라서 조사까지 분리해 줄 필요가 있다.
  - 한국어 토큰화에서는 형태소(morpheme)란 개념을 반드시 이해해야 한다. 형태소(morpheme)란 "뜻을 가진 가장 작은 말의 단위"이며 형태소는 자립 형태소와 의존 형태소로 분류할 수 있다.
  - 자립 형태소 : 접사, 어미, 조사와 상관없이 자립하여 사용할 수 있는 형태소. 그 자체로 단어가 된다. 체언(명사, 대명사, 수사), 수식언(관형사, 부사), 감탄사 등이 있다.
  - 의존 형태소 : 다른 형태소와 결합하여 사용되는 형태소. 접사, 어미, 조사, 어간를 말한다.
  - ex) 문장 : 에디가 딥러닝책을 읽었다
  - 이를 형태소 단위로 분해하면 다음과 같습니다.
  - 자립 형태소 : 에디, 딥러닝책
  - 의존 형태소 : -가, -을, 읽-, -었, -다
이를 통해 유추할 수 있는 것은 한국어에서 영어에서의 단어 토큰화와 유사한 형태를 얻으려면 어절 토큰화가 아니라 형태소 토큰화를 수행해야한다는 겁니다.

1. 한국어는 띄어쓰기가 영어보다 잘 지켜지지 않는다.
  - 한국어는 영어권 언어와 비교하여 띄어쓰기가 어렵고, 또 잘 지켜지지 않는 경향이 있는데 한국어의 경우 띄어쓰기가 지켜지지 않아도 글을 쉽게 이해할 수 있기 때문이다.
  - ex1) 제가이렇게띄어쓰기를전혀하지않고글을썼다고하더라도글을이해할수있습니다.
  - ex2) Tobeornottobethatisthequestion
  - 영어의 경우 띄어쓰기를 하지 않으면 손쉽게 알아보기 어려운 문장들이 생긴다. 이는 한국어(모아쓰기 방식)와 영어(풀어쓰기 방식)라는 언어적 특성차이에 기인함.

7. 품사 태깅(Part-of-speech tagging)¶

단어는 표기는 같지만, 품사에 따라서 단어의 의미가 달라지기도 한다. 예를 들어 'fly'는 동사로는 '날다'이지만 명사로는 '파리'라는 의미인 것처럼 한국어에서도 '못'이라는 단어는 명사로서는 "망치를 사용해서 목재 따위를 고정하는 물건"을 의미하는 반면 부사로서의 '못'은 '먹는다', '달린다'와 같은 동작 동사를 할 수 없다는 의미이다.
즉, 단어의 의미를 제대로 파악하기 위해서는 해당 단어가 어떤 품사인지 알아볼 필요가 있다. 이렇게 해당 단어의 품사를 알아보는 작업을 품사 태깅(part-of-speech tagging)이라고 한다.

8. NLTK와 KoNLPy를 이용한 영어, 한국어 토큰화 실습¶

NLTK에서는 영어 코퍼스에 품사 태깅 기능을 지원한다. 품사를 어떻게 명명하고, 태깅하는지의 기준은 여러가지가 있는데, NLTK에서는 Penn Treebank POS Tags라는 기준을 사용.

PRP: 인칭 대명사
VBP: 동사
RB: 부사
VBG: 현재부사
IN은 전치사
NNP: 고유 명사
NNS: 복수형 명사
CC: 접속사
DT: 관사

KoNLPy의 종류

Okt(Open Korea Text)
메캅(Mecab)
코모란(Komoran)
한나눔(Hannanum)
꼬꼬마(Kkma)

In [ ]:

from nltk.tokenize import word_tokenize
text="I am actively looking for Ph.D. students. and you are a Ph.D. student."
print(word_tokenize(text))

['I', 'am', 'actively', 'looking', 'for', 'Ph.D.', 'students', '.', 'and', 'you', 'are', 'a', 'Ph.D.', 'student', '.']

In [ ]:

nltk.download('averaged_perceptron_tagger')
from nltk.tag import pos_tag
x=word_tokenize(text)
pos_tag(x)

[nltk_data] Downloading package averaged_perceptron_tagger to
[nltk_data]     /root/nltk_data...
[nltk_data]   Unzipping taggers/averaged_perceptron_tagger.zip.

Out[ ]:

[('I', 'PRP'),
 ('am', 'VBP'),
 ('actively', 'RB'),
 ('looking', 'VBG'),
 ('for', 'IN'),
 ('Ph.D.', 'NNP'),
 ('students', 'NNS'),
 ('.', '.'),
 ('and', 'CC'),
 ('you', 'PRP'),
 ('are', 'VBP'),
 ('a', 'DT'),
 ('Ph.D.', 'NNP'),
 ('student', 'NN'),
 ('.', '.')]

In [ ]:

from konlpy.tag import Okt  
okt=Okt()  
print(okt.morphs("열심히 코딩한 당신, 연휴에는 여행을 가봐요"))
print(okt.pos("열심히 코딩한 당신, 연휴에는 여행을 가봐요"))  
print(okt.nouns("열심히 코딩한 당신, 연휴에는 여행을 가봐요"))  

['열심히', '코딩', '한', '당신', ',', '연휴', '에는', '여행', '을', '가봐요']
[('열심히', 'Adverb'), ('코딩', 'Noun'), ('한', 'Josa'), ('당신', 'Noun'), (',', 'Punctuation'), ('연휴', 'Noun'), ('에는', 'Josa'), ('여행', 'Noun'), ('을', 'Josa'), ('가봐요', 'Verb')]
['코딩', '당신', '연휴', '여행']

In [ ]:

from konlpy.tag import Kkma  
kkma=Kkma()  
print(kkma.morphs("열심히 코딩한 당신, 연휴에는 여행을 가봐요"))
print(kkma.pos("열심히 코딩한 당신, 연휴에는 여행을 가봐요"))  
print(kkma.nouns("열심히 코딩한 당신, 연휴에는 여행을 가봐요"))

['열심히', '코딩', '하', 'ㄴ', '당신', ',', '연휴', '에', '는', '여행', '을', '가보', '아요']
[('열심히', 'MAG'), ('코딩', 'NNG'), ('하', 'XSV'), ('ㄴ', 'ETD'), ('당신', 'NP'), (',', 'SP'), ('연휴', 'NNG'), ('에', 'JKM'), ('는', 'JX'), ('여행', 'NNG'), ('을', 'JKO'), ('가보', 'VV'), ('아요', 'EFN')]
['코딩', '당신', '연휴', '여행']

정제(Cleaning)와 정규화(Normalization)¶

토크나이징과 같이 텍스트 전처리의 유형이다.

정제(cleaning) : 갖고 있는 코퍼스로부터 노이즈 데이터를 제거한다.
정규화(normalization) : 표현 방법이 다른 단어들을 통합시켜서 같은 단어로 만들어준다.

정규화¶

USA와 US, uh-huh와 uhhuh 등 같은 의미이지만 표기형태만 다른 단어들은 하나의 단어로 정규화 하는 작업이 필요함. 그 방법으로는 어간 추출(stemming)과 표제어 추출(lemmatizaiton) 등이 있다.
대소문자의 구분. 영어의 경우 bus와 Bus처럼 대소문자가 다른 경우도 같은 단어로 인식하는 정규화 작업이 필요함.

정제 - 불필요한 단어제거¶

1. 등장빈도가 낮은 단어
1. 길이가 짧은 단어
  - 영어권 언어에서는 길이가 짧은 단어를 삭제하는 것만으로도 어느정도 자연어 처리에서 크게 의미가 없는 단어들을 제거하는 효과를 볼 수 있다. 영어권 언어에서 길이가 짧은 단어들은 대부분 불용어에 해당되기 때문. 여기에는 단어가 아닌 구두점들까지도 한꺼번에 제거하기 위함도 있다.
  - 영어 단어의 평균 길이는 6~7 정도이며, 한국어 단어의 평균 길이는 2~3 정도로 추정됨.영어 단어의 길이가 한국어 단어의 길이보다는 평균적으로 길다는 점입니다.
  - 한국어 단어는 한자어가 많고, 한 글자만으로도 이미 의미를 가진 경우가 많기 때문인데 예를 들어 '학교'라는 단어는, 배울 학(學)과 학교 교(校)로 각 글자들이 이미 함축적인 의미를 갖고있다. 하지만 영어의 경우에는 학교라는 단어를 표현하기 위해서는 s, c, h, o, o, l이라는 총 6개의 글자가 필요함.
  - 이러한 특성으로 영어는 길이가 2~3 이하인 단어를 제거하는 것만으로도 크게 의미를 갖지 못하는 단어를 줄일 수 있음. 길이가 1인 단어에서는 주로 의미를 갖지 못하는 단어인 관사 'a'와 주어로 쓰이는 'I'가 제거됨. 길이가 2인 단어에서는 주로 it, at, to, on, in, by 등과 같은 불용어들이 주로 제거됨.

In [ ]:

import re
text = "I was wondering if anyone out there could enlighten me on this car."
shortword = re.compile(r'\W*\b\w{1,2}\b') # 정규표현식 \b 낱말과 낱말의 경계 사이에 \W* 낱말이 아닌 것들 중 \w{1,2} 길이가 1-2인 영숫자 제거
print(shortword.sub('', text))

 was wondering anyone out there could enlighten this car.

어간 추출(Stemming)과 표제어 추출(Lemmatization)

BoW(Bag of Words): 단어의 빈도수 기반 표현

표제어 추출(Lemmatization)¶

표제어: 기본 사전형 단어.
ex) am, are, is 의 표제어: be

표제어 추출을 하기 위해서는 단어를 형태소로 파싱(parsing)해야함.
NLTK에서는 표제어 추출을 위해 WordNetLemmatizer를 사용.

형태소¶

형태소는 두 가지로 나뉜다.

어간(steam): 단어의 의미를 담는 부분
접사(affix): 단어의 추가적인 의미를 주는 부분

ex) cats의 어간: cat(단어의 의미), 접사: -s(복수형태를 나타냄)

In [ ]:

import nltk
nltk.download('wordnet')
from nltk.stem import WordNetLemmatizer
n=WordNetLemmatizer()
words=['policy', 'doing', 'organization', 'have', 'going', 'love', 'lives', 'fly', 'dies', 'watched', 'has', 'starting']
print([n.lemmatize(w) for w in words])
## 출력결과
#### ['policy', 'doing', 'organization', 'have', 'going', 'love', 'life', 'fly', 'dy', 'watched', 'ha', 'starting']
## dy와 ha 등 표제어 추출이 정확하지 않은 이유는 본래 단어의 품사 정보를 정확히 알 수 없기 때문임.
## 때문에 lemmatize에서 품사 정보 역시 입력해준다면 정확한 표제어를 추출할 수 있게 됨.

[nltk_data] Downloading package wordnet to /root/nltk_data...
[nltk_data]   Unzipping corpora/wordnet.zip.
['policy', 'doing', 'organization', 'have', 'going', 'love', 'life', 'fly', 'dy', 'watched', 'ha', 'starting']

In [ ]:

n.lemmatize('dies', 'v')

Out[ ]:

'die'

In [ ]:

n.lemmatize('watched', 'v')

Out[ ]:

'watch'

In [ ]:

n.lemmatize('has', 'v')

Out[ ]:

'have'

어간 추출(Stemming)¶

어간추출은 정확한 형태소를 분류해내는 기능이 아니기 때문에, 어간이 사전에 등재되지 않을 수도 있음.
즉 사용자가 어간추출 규칙을 어떻게 정하느냐에 따라, 어떤 알고리즘을 사용하느냐에 따라 다른 결과가 나타날 수 있고 그에따라 비교적 정확성이 높진 않음.
주로 포터알고리즘(Porter Algorithm)을 사용
- formalize → formal (alize -> al만남김)
- allowance → allow (ance -> 제거)
- electricical → electric (ical -> ic만 남김)

포터알고리즘 vs. 랭커스터 스태머(Lancaster Stemmer)알고리즘
- 둘 다 똑같은 어간추출 알고리즘인데 서로 나타나는 결과가 다름. 둘 다 써보고 적당해 보이는 걸 사용하는 것이 좋음.

- Stemming (어간 추출 결과)
- am → am
- the going → the go
- having → hav

- Lemmatization (표제어 추출 결과)
- am → be
- the going → the going
- having → have

In [ ]:

nltk.download('punkt')
from nltk.stem import PorterStemmer
from nltk.tokenize import word_tokenize
s = PorterStemmer()
text="This was not the map we found in Billy Bones's chest, but an accurate copy, complete in all things--names and heights and soundings--with the single exception of the red crosses and the written notes."
words=word_tokenize(text)
print(words)

[nltk_data] Downloading package punkt to /root/nltk_data...
[nltk_data]   Unzipping tokenizers/punkt.zip.
['This', 'was', 'not', 'the', 'map', 'we', 'found', 'in', 'Billy', 'Bones', "'s", 'chest', ',', 'but', 'an', 'accurate', 'copy', ',', 'complete', 'in', 'all', 'things', '--', 'names', 'and', 'heights', 'and', 'soundings', '--', 'with', 'the', 'single', 'exception', 'of', 'the', 'red', 'crosses', 'and', 'the', 'written', 'notes', '.']

In [ ]:

print([s.stem(w) for w in words])

['thi', 'wa', 'not', 'the', 'map', 'we', 'found', 'in', 'billi', 'bone', "'s", 'chest', ',', 'but', 'an', 'accur', 'copi', ',', 'complet', 'in', 'all', 'thing', '--', 'name', 'and', 'height', 'and', 'sound', '--', 'with', 'the', 'singl', 'except', 'of', 'the', 'red', 'cross', 'and', 'the', 'written', 'note', '.']

In [ ]:

words=['formalize', 'allowance', 'electricical']
print([s.stem(w) for w in words])

['formal', 'allow', 'electric']

In [ ]:

from nltk.stem import PorterStemmer
s=PorterStemmer()
words=['policy', 'doing', 'organization', 'have', 'going', 'love', 'lives', 'fly', 'dies', 'watched', 'has', 'starting']
print([s.stem(w) for w in words])

from nltk.stem import LancasterStemmer
l=LancasterStemmer()
words=['policy', 'doing', 'organization', 'have', 'going', 'love', 'lives', 'fly', 'dies', 'watched', 'has', 'starting']
print([l.stem(w) for w in words])

['polici', 'do', 'organ', 'have', 'go', 'love', 'live', 'fli', 'die', 'watch', 'ha', 'start']
['policy', 'doing', 'org', 'hav', 'going', 'lov', 'liv', 'fly', 'die', 'watch', 'has', 'start']

불용어(Stopword)¶

분석에 도움이 되지 않는 단어들을 불용어라고 함.
I, my, me, over과 같은 조사 or 접미사들은 자주 등장하지만 실제 의미분석에 거의 기여하지 않음. 이런 단어들을 제거하는 것이 텍스트 전처리에서 중요함.

In [ ]:

nltk.download('stopwords')
from nltk.corpus import stopwords  
stopwords.words('english')[:10]  

[nltk_data] Downloading package stopwords to /root/nltk_data...
[nltk_data]   Unzipping corpora/stopwords.zip.

Out[ ]:

['i', 'me', 'my', 'myself', 'we', 'our', 'ours', 'ourselves', 'you', "you're"]

In [ ]:

from nltk.corpus import stopwords 
from nltk.tokenize import word_tokenize 

example = "Family is not an important thing. It's everything."
stop_words = set(stopwords.words('english')) 

word_tokens = word_tokenize(example)

result = []
for w in word_tokens: 
    if w not in stop_words: 
        result.append(w) 

print(word_tokens) 
print(result) 

['Family', 'is', 'not', 'an', 'important', 'thing', '.', 'It', "'s", 'everything', '.']
['Family', 'important', 'thing', '.', 'It', "'s", 'everything', '.']

정규표현식¶

정규표현식 문법들을 외운 이후에 https://regexcrossword.com/challenges/tutorial/puzzles/1

위 사이트 문제들을 풀면서 감을 익히는 것이 좋음.

In [ ]:

import nltk
from nltk.tokenize import RegexpTokenizer
tokenizer=RegexpTokenizer("[\w]+") # 문자+숫자가 1개 이상인 경우, 즉 워드토크나이징 명령.
print(tokenizer.tokenize("Don't be fooled by the dark sounding name, Mr. Jone's Orphanage is as cheery as cheery goes for a pastry shop"))

['Don', 't', 'be', 'fooled', 'by', 'the', 'dark', 'sounding', 'name', 'Mr', 'Jone', 's', 'Orphanage', 'is', 'as', 'cheery', 'as', 'cheery', 'goes', 'for', 'a', 'pastry', 'shop']

In [ ]:

import nltk
from nltk.tokenize import RegexpTokenizer
tokenizer=RegexpTokenizer("[\s]+", gaps=True) # 스페이스 1개 이상인 경우, 즉 공백 토크나이징
print(tokenizer.tokenize("Don't be fooled by the dark sounding name, Mr. Jone's Orphanage is as cheery as cheery goes for a pastry shop"))

["Don't", 'be', 'fooled', 'by', 'the', 'dark', 'sounding', 'name,', 'Mr.', "Jone's", 'Orphanage', 'is', 'as', 'cheery', 'as', 'cheery', 'goes', 'for', 'a', 'pastry', 'shop']

정수인코딩(Integer Encoding)¶

자연어 처리의 기본 기법들 중 하나로, 단어들을 컴퓨터가 인식할 수 있는 정수형태로 맵핑하는 것임.
한 문장에 단어가 10개라고 하면, 1번부터 10번까지 각 단어에 번호를 부여하는 것임.
보통 번호(인덱스)는 랜덤으로 부여하기도 하지만, 전처리 빈도가 높거나 빈도수가 많이 나오는 단어들만 사용하기 위해, 빈도수 기준 정렬 후 부여한다.

Dictionary 자료형을 이용한 인코딩¶

In [ ]:

from nltk.tokenize import sent_tokenize
from nltk.tokenize import word_tokenize
from nltk.corpus import stopwords

text = "A barber is a person. a barber is good person. a barber is huge person. he Knew A Secret! The Secret He Kept is huge secret. Huge secret. His barber kept his word. a barber kept his word. His barber kept his secret. But keeping and keeping such a huge secret to himself was driving the barber crazy. the barber went up a huge mountain."

# 문장 토큰화
text = sent_tokenize(text)
print(text)

['A barber is a person.', 'a barber is good person.', 'a barber is huge person.', 'he Knew A Secret!', 'The Secret He Kept is huge secret.', 'Huge secret.', 'His barber kept his word.', 'a barber kept his word.', 'His barber kept his secret.', 'But keeping and keeping such a huge secret to himself was driving the barber crazy.', 'the barber went up a huge mountain.']

In [ ]:

# 정제와 단어 토큰화
vocab = {} # 파이썬의 dictionary 자료형
sentences = []
stop_words = set(stopwords.words('english'))

for i in text:
    sentence = word_tokenize(i) # 단어 토큰화를 수행합니다.
    result = []

    for word in sentence: 
        word = word.lower() # 모든 단어를 소문자화하여 단어의 개수를 줄입니다.
        if word not in stop_words: # 단어 토큰화 된 결과에 대해서 불용어를 제거합니다.
            if len(word) > 2: # 단어 길이가 2이하인 경우에 대하여 추가로 단어를 제거합니다.
                result.append(word)
                if word not in vocab:
                    vocab[word] = 0 
                vocab[word] += 1
    sentences.append(result) 
print(sentences)
print(vocab)
print(vocab["barber"]) # 'barber'라는 단어의 빈도수 출력

[['barber', 'person'], ['barber', 'good', 'person'], ['barber', 'huge', 'person'], ['knew', 'secret'], ['secret', 'kept', 'huge', 'secret'], ['huge', 'secret'], ['barber', 'kept', 'word'], ['barber', 'kept', 'word'], ['barber', 'kept', 'secret'], ['keeping', 'keeping', 'huge', 'secret', 'driving', 'barber', 'crazy'], ['barber', 'went', 'huge', 'mountain']]
{'barber': 8, 'person': 3, 'good': 1, 'huge': 5, 'knew': 1, 'secret': 6, 'kept': 4, 'word': 2, 'keeping': 2, 'driving': 1, 'crazy': 1, 'went': 1, 'mountain': 1}
8

In [ ]:

# 빈도수 정렬
vocab_sorted = sorted(vocab.items(), key = lambda x:x[1], reverse = True)
print(vocab_sorted)

[('barber', 8), ('secret', 6), ('huge', 5), ('kept', 4), ('person', 3), ('word', 2), ('keeping', 2), ('good', 1), ('knew', 1), ('driving', 1), ('crazy', 1), ('went', 1), ('mountain', 1)]

In [ ]:

# 빈도순으로 인덱스 부여
word_to_index = {}
i=0
for (word, frequency) in vocab_sorted :
    if frequency > 1 : # 정제(Cleaning) 챕터에서 언급했듯이 빈도수가 적은 단어는 제외한다.
        i=i+1
        word_to_index[word] = i
print(word_to_index)

{'barber': 1, 'secret': 2, 'huge': 3, 'kept': 4, 'person': 5, 'word': 6, 'keeping': 7}

In [ ]:

vocab_size = 5
words_frequency = [w for w,c in word_to_index.items() if c >= vocab_size + 1] # 인덱스가 5 초과인 단어 제거
for w in words_frequency:
    del word_to_index[w] # 해당 단어에 대한 인덱스 정보를 삭제
print(word_to_index)

{'barber': 1, 'secret': 2, 'huge': 3, 'kept': 4, 'person': 5}

In [ ]:

# 상위 5개 단어에 포함되지 않으면 OOV 라는 인덱스 부여. 즉 OOV = 6
word_to_index['OOV'] = len(word_to_index) + 1 # OOV: Out of Vocabulary

In [ ]:

# 정수 인코딩
# ex) sentences[0] = ['barber', 'person']
#                 -> [1, 5]
encoded = []
for s in sentences:
    temp = []
    for w in s:
        try:
            temp.append(word_to_index[w])
        except KeyError:
            temp.append(word_to_index['OOV'])
    encoded.append(temp)
print(encoded)

[[1, 5], [1, 6, 5], [1, 3, 5], [6, 2], [2, 4, 3, 2], [3, 2], [1, 4, 6], [1, 4, 6], [1, 4, 2], [6, 6, 3, 2, 6, 1, 6], [1, 6, 3, 6]]

Counter를 이용한 인코딩¶

In [ ]:

from collections import Counter
print(sentences)
words = sum(sentences, []) # 이차원 리스트를 일차원으로 변경
# 위 작업은 words = np.hstack(sentences)로도 수행 가능.
print(words)
vocab = Counter(words) # 파이썬의 Counter 모듈을 이용하면 단어의 모든 빈도를 쉽게 계산할 수 있습니다.
print(vocab)
print(vocab["barber"]) # 'barber'라는 단어의 빈도수 출력

[['barber', 'person'], ['barber', 'good', 'person'], ['barber', 'huge', 'person'], ['knew', 'secret'], ['secret', 'kept', 'huge', 'secret'], ['huge', 'secret'], ['barber', 'kept', 'word'], ['barber', 'kept', 'word'], ['barber', 'kept', 'secret'], ['keeping', 'keeping', 'huge', 'secret', 'driving', 'barber', 'crazy'], ['barber', 'went', 'huge', 'mountain']]
['barber', 'person', 'barber', 'good', 'person', 'barber', 'huge', 'person', 'knew', 'secret', 'secret', 'kept', 'huge', 'secret', 'huge', 'secret', 'barber', 'kept', 'word', 'barber', 'kept', 'word', 'barber', 'kept', 'secret', 'keeping', 'keeping', 'huge', 'secret', 'driving', 'barber', 'crazy', 'barber', 'went', 'huge', 'mountain']
Counter({'barber': 8, 'secret': 6, 'huge': 5, 'kept': 4, 'person': 3, 'word': 2, 'keeping': 2, 'good': 1, 'knew': 1, 'driving': 1, 'crazy': 1, 'went': 1, 'mountain': 1})
8

In [ ]:

vocab_size = 5
vocab = vocab.most_common(vocab_size) # 등장 빈도수가 높은 상위 5개의 단어만 저장
vocab

Out[ ]:

[('barber', 8), ('secret', 6), ('huge', 5), ('kept', 4), ('person', 3)]

In [ ]:

# 빈도순 인덱스 부여
word_to_index = {}
i = 0
for (word, frequency) in vocab :
    i = i+1
    word_to_index[word] = i
print(word_to_index)

{'barber': 1, 'secret': 2, 'huge': 3, 'kept': 4, 'person': 5}

NLTK의 FreqDist를 사용한 인코딩¶

In [ ]:

from nltk import FreqDist
import numpy as np

# np.hstack으로 문장 구분을 제거하여 입력으로 사용 . ex) ['barber', 'person', 'barber', 'good' ... 중략 ...
vocab = FreqDist(np.hstack(sentences))
print(vocab["barber"]) # 'barber'라는 단어의 빈도수 출력
vocab_size = 5
vocab = vocab.most_common(vocab_size) # 등장 빈도수가 높은 상위 5개의 단어만 저장
word_to_index = {word[0] : index + 1 for index, word in enumerate(vocab)} # 빈도순 인덱스 부여
print(word_to_index)

8
{'barber': 1, 'secret': 2, 'huge': 3, 'kept': 4, 'person': 5}

케라스를 이용한 인코딩¶

In [ ]:

from tensorflow.keras.preprocessing.text import Tokenizer
print(sentences)
tokenizer = Tokenizer()
tokenizer.fit_on_texts(sentences) # fit_on_texts()안에 코퍼스를 입력으로 하면 빈도수를 기준으로 단어 집합을 생성한다.
print(tokenizer.word_index) # 빈도순 인덱스
print(tokenizer.word_counts) # 빈도순
print(tokenizer.texts_to_sequences(sentences)) # 부여된 인덱스로 변환

[['barber', 'person'], ['barber', 'good', 'person'], ['barber', 'huge', 'person'], ['knew', 'secret'], ['secret', 'kept', 'huge', 'secret'], ['huge', 'secret'], ['barber', 'kept', 'word'], ['barber', 'kept', 'word'], ['barber', 'kept', 'secret'], ['keeping', 'keeping', 'huge', 'secret', 'driving', 'barber', 'crazy'], ['barber', 'went', 'huge', 'mountain']]
{'barber': 1, 'secret': 2, 'huge': 3, 'kept': 4, 'person': 5, 'word': 6, 'keeping': 7, 'good': 8, 'knew': 9, 'driving': 10, 'crazy': 11, 'went': 12, 'mountain': 13}
OrderedDict([('barber', 8), ('person', 3), ('good', 1), ('huge', 5), ('knew', 1), ('secret', 6), ('kept', 4), ('word', 2), ('keeping', 2), ('driving', 1), ('crazy', 1), ('went', 1), ('mountain', 1)])
[[1, 5], [1, 8, 5], [1, 3, 5], [9, 2], [2, 4, 3, 2], [3, 2], [1, 4, 6], [1, 4, 6], [1, 4, 2], [7, 7, 3, 2, 10, 1, 11], [1, 12, 3, 13]]

In [ ]:

vocab_size = 5
tokenizer = Tokenizer(num_words = vocab_size + 1) # 상위 5개 단어만 사용 # texts_to_sequences를 사용할 때 적용됨. 
tokenizer.fit_on_texts(sentences)
print(tokenizer.word_index)
print(tokenizer.word_counts)
print(tokenizer.texts_to_sequences(sentences))

{'barber': 1, 'secret': 2, 'huge': 3, 'kept': 4, 'person': 5, 'word': 6, 'keeping': 7, 'good': 8, 'knew': 9, 'driving': 10, 'crazy': 11, 'went': 12, 'mountain': 13}
OrderedDict([('barber', 8), ('person', 3), ('good', 1), ('huge', 5), ('knew', 1), ('secret', 6), ('kept', 4), ('word', 2), ('keeping', 2), ('driving', 1), ('crazy', 1), ('went', 1), ('mountain', 1)])
[[1, 5], [1, 5], [1, 3, 5], [2], [2, 4, 3, 2], [3, 2], [1, 4], [1, 4], [1, 4, 2], [3, 2, 1], [1, 3]]

In [ ]:

tokenizer = Tokenizer() # num_words를 여기서는 지정하지 않은 상태
tokenizer.fit_on_texts(sentences)
vocab_size = 5
words_frequency = [w for w,c in tokenizer.word_index.items() if c >= vocab_size + 1] # 인덱스가 5 초과인 단어 제거
for w in words_frequency:
    del tokenizer.word_index[w] # 해당 단어에 대한 인덱스 정보를 삭제
    del tokenizer.word_counts[w] # 해당 단어에 대한 카운트 정보를 삭제
print(tokenizer.word_index)
print(tokenizer.word_counts)
print(tokenizer.texts_to_sequences(sentences))

{'barber': 1, 'secret': 2, 'huge': 3, 'kept': 4, 'person': 5}
OrderedDict([('barber', 8), ('person', 3), ('huge', 5), ('secret', 6), ('kept', 4)])
[[1, 5], [1, 5], [1, 3, 5], [2], [2, 4, 3, 2], [3, 2], [1, 4], [1, 4], [1, 4, 2], [3, 2, 1], [1, 3]]

In [ ]:

vocab_size = 5
tokenizer = Tokenizer(num_words = vocab_size + 2, oov_token = 'OOV')
# 빈도수 상위 5개 단어만 사용. 숫자 0과 OOV를 고려해서 단어 집합의 크기는 +2
tokenizer.fit_on_texts(sentences)
print('단어 OOV의 인덱스 : {}'.format(tokenizer.word_index['OOV']))
print(tokenizer.texts_to_sequences(sentences))

단어 OOV의 인덱스 : 1
[[2, 6], [2, 1, 6], [2, 4, 6], [1, 3], [3, 5, 4, 3], [4, 3], [2, 5, 1], [2, 5, 1], [2, 5, 3], [1, 1, 4, 3, 1, 2, 1], [2, 1, 4, 1]]

패딩(Padding)¶

패딩을 하게 되면 병렬처리가 가능해짐.
문장들의 길이가 전부 동일하기 때문에 모든 문장을 하나의 행렬로 볼 수 있기 때문.

Numpy¶

가장 길이가 긴 문장 길이로 모든 문장들을 패딩한다.
'PAD'라는 가상의 단어가 있다고 가정하고 정수인코딩한다.
가상의 단어에 0번 인덱스를 부여하고 패딩하는 것을 제로패딩(zero padding)이라고 한다.

In [ ]:

import numpy as np
from tensorflow.keras.preprocessing.text import Tokenizer

In [ ]:

sentences = [['barber', 'person'], ['barber', 'good', 'person'], ['barber', 'huge', 'person'], ['knew', 'secret'], ['secret', 'kept', 'huge', 'secret'], ['huge', 'secret'], ['barber', 'kept', 'word'], ['barber', 'kept', 'word'], ['barber', 'kept', 'secret'], ['keeping', 'keeping', 'huge', 'secret', 'driving', 'barber', 'crazy'], ['barber', 'went', 'huge', 'mountain']]
tokenizer = Tokenizer()
tokenizer.fit_on_texts(sentences) # fit_on_texts()안에 코퍼스를 입력으로 하면 빈도수를 기준으로 단어 집합을 생성한다.
encoded = tokenizer.texts_to_sequences(sentences)
print(encoded) # 케라스를 이용한 정수인코딩

[[1, 5], [1, 8, 5], [1, 3, 5], [9, 2], [2, 4, 3, 2], [3, 2], [1, 4, 6], [1, 4, 6], [1, 4, 2], [7, 7, 3, 2, 10, 1, 11], [1, 12, 3, 13]]

In [ ]:

max_len = max(len(item) for item in encoded)
print(max_len)

In [ ]:

for item in encoded: # 각 문장에 대해서
    while len(item) < max_len:   # max_len보다 작으면
        item.append(0)

padded_np = np.array(encoded)
padded_np

Out[ ]:

array([[ 1,  5,  0,  0,  0,  0,  0],
       [ 1,  8,  5,  0,  0,  0,  0],
       [ 1,  3,  5,  0,  0,  0,  0],
       [ 9,  2,  0,  0,  0,  0,  0],
       [ 2,  4,  3,  2,  0,  0,  0],
       [ 3,  2,  0,  0,  0,  0,  0],
       [ 1,  4,  6,  0,  0,  0,  0],
       [ 1,  4,  6,  0,  0,  0,  0],
       [ 1,  4,  2,  0,  0,  0,  0],
       [ 7,  7,  3,  2, 10,  1, 11],
       [ 1, 12,  3, 13,  0,  0,  0]])

Keras¶

numpy 패딩과 다른 것은 넘파이는 기본적으로 문장의 끝에 패딩을 하는데, 케라스는 앞에서부터 0으로 채운다.
넘파이와 같은 결과를 얻고 싶으면 padding='post' 옵션을 주면 된다.

In [ ]:

from tensorflow.keras.preprocessing.sequence import pad_sequences
encoded = tokenizer.texts_to_sequences(sentences)
print(encoded)
padded = pad_sequences(encoded)
padded

[[1, 5], [1, 8, 5], [1, 3, 5], [9, 2], [2, 4, 3, 2], [3, 2], [1, 4, 6], [1, 4, 6], [1, 4, 2], [7, 7, 3, 2, 10, 1, 11], [1, 12, 3, 13]]

Out[ ]:

array([[ 0,  0,  0,  0,  0,  1,  5],
       [ 0,  0,  0,  0,  1,  8,  5],
       [ 0,  0,  0,  0,  1,  3,  5],
       [ 0,  0,  0,  0,  0,  9,  2],
       [ 0,  0,  0,  2,  4,  3,  2],
       [ 0,  0,  0,  0,  0,  3,  2],
       [ 0,  0,  0,  0,  1,  4,  6],
       [ 0,  0,  0,  0,  1,  4,  6],
       [ 0,  0,  0,  0,  1,  4,  2],
       [ 7,  7,  3,  2, 10,  1, 11],
       [ 0,  0,  0,  1, 12,  3, 13]], dtype=int32)

In [ ]:

padded = pad_sequences(encoded, padding = 'post')
padded

Out[ ]:

array([[ 1,  5,  0,  0,  0,  0,  0],
       [ 1,  8,  5,  0,  0,  0,  0],
       [ 1,  3,  5,  0,  0,  0,  0],
       [ 9,  2,  0,  0,  0,  0,  0],
       [ 2,  4,  3,  2,  0,  0,  0],
       [ 3,  2,  0,  0,  0,  0,  0],
       [ 1,  4,  6,  0,  0,  0,  0],
       [ 1,  4,  6,  0,  0,  0,  0],
       [ 1,  4,  2,  0,  0,  0,  0],
       [ 7,  7,  3,  2, 10,  1, 11],
       [ 1, 12,  3, 13,  0,  0,  0]], dtype=int32)

In [ ]:

(padded == padded_np).all()

Out[ ]:

True

In [ ]:

# 제로패딩이 아닌 다른 인덱스번호 사용

last_value = len(tokenizer.word_index) + 1 # 단어 집합의 크기보다 1 큰 숫자를 사용
print(last_value)

In [ ]:

padded = pad_sequences(encoded, padding = 'post', value = last_value)
padded

Out[ ]:

array([[ 1,  5, 14, 14, 14, 14, 14],
       [ 1,  8,  5, 14, 14, 14, 14],
       [ 1,  3,  5, 14, 14, 14, 14],
       [ 9,  2, 14, 14, 14, 14, 14],
       [ 2,  4,  3,  2, 14, 14, 14],
       [ 3,  2, 14, 14, 14, 14, 14],
       [ 1,  4,  6, 14, 14, 14, 14],
       [ 1,  4,  6, 14, 14, 14, 14],
       [ 1,  4,  2, 14, 14, 14, 14],
       [ 7,  7,  3,  2, 10,  1, 11],
       [ 1, 12,  3, 13, 14, 14, 14]], dtype=int32)

원-핫 인코딩(One-Hot Encoding)¶

문자를 숫자로 바꾸는 정수인코딩과 같은 기법 중 하나로, 단어를 숫자로 표현하는 가장 기본적인 방법임. (머신러닝 & 딥러닝에 가장 많이 사용됨)

단어집합(vocabulary): "서로 다른" 단어들의 집합.
- book과 books와 같은 단어의 변형 형태도 다른 단어로 간주함.
- 텍스트 내에 모든 단어를 중복없이 모아 놓은 것이 단어집합이며, 정수인코딩 진행 후 숫자로 바뀐 단어들을 벡터로 다룰 수 있게 한다.

원-핫 인코딩이란?¶

단어집합의 크기를 벡터의 차원으로 하고, 표현하고 싶은 단어 인덱스에 1, 다른 인덱스에는 0을 부여하는 단어의 벡터 표현방식이다. 이렇게 표현된 벡터를 원-핫 벡터(one-hot vector)라고 함.

원-핫 이노딩의 두 가지 과정

각 단어에 고유한 인덱스 부여(정수인코딩)
표현하고 싶은 단어 인덱스 위치에 1을 부여, 다른 인덱스 위치에는 0을 부여

In [ ]:

#!pip install konlpy
from konlpy.tag import Okt  
okt=Okt() # 구 트위터
token=okt.morphs("나는 자연어 처리를 배운다") # 센텐스 토크나이징
print(token)

['나', '는', '자연어', '처리', '를', '배운다']

In [ ]:

# 문장이 길 때는 단어의 빈도수를 고려하여 빈도수 순으로 인코딩을 진행해야 함. 여기선 생략

word2index={}
for voca in token:
     if voca not in word2index.keys():
       word2index[voca]=len(word2index)
print(word2index)

{'나': 0, '는': 1, '자연어': 2, '처리': 3, '를': 4, '배운다': 5}

In [ ]:

# 토ㅡㄴ을 입력하면 해당 토큰에 대한 원-핫 벡터를 만들어내는 함수
def one_hot_encoding(word, word2index):
       one_hot_vector = [0]*(len(word2index))
       index=word2index[word]
       one_hot_vector[index]=1
       return one_hot_vector

In [ ]:

one_hot_encoding("자연어",word2index)

Out[ ]:

[0, 0, 1, 0, 0, 0]

케라스를 이용한 원-핫 인코딩¶

In [ ]:

from tensorflow.keras.preprocessing.text import Tokenizer
from tensorflow.keras.utils import to_categorical

text="나랑 점심 먹으러 갈래 점심 메뉴는 햄버거 갈래 갈래 햄버거 최고야"

t = Tokenizer()
t.fit_on_texts([text])
print(t.word_index) # 각 단어에 대한 인코딩 결과 출력.

sub_text="점심 먹으러 갈래 메뉴는 햄버거 최고야" # 단어집합(word_index)에 있는 단어들로만 구성된 서브텍스트 생성
encoded=t.texts_to_sequences([sub_text])[0] # texts_to_sequences 함수를 통해 정수인코딩
print(encoded)

{'갈래': 1, '점심': 2, '햄버거': 3, '나랑': 4, '먹으러': 5, '메뉴는': 6, '최고야': 7}
[2, 5, 1, 6, 3, 7]

In [ ]:

one_hot = to_categorical(encoded) # 원-핫 인코딩
print(one_hot)

[[0. 0. 1. 0. 0. 0. 0. 0.]
 [0. 0. 0. 0. 0. 1. 0. 0.]
 [0. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0.]
 [0. 0. 0. 0. 0. 0. 1. 0.]
 [0. 0. 0. 1. 0. 0. 0. 0.]
 [0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 1.]]

원-핫 인코딩의 한계¶

단어의 개수가 많아질수록 더 큰 차원의 벡터가 만들어짐, 즉 벡터를 저장하기 위한 공간이 더 많이 필요해짐.
- 원-핫 벡터는 단어집합의 크기가 곧 벡터 차원수가 되기 때문.
- ex) 단어가 1,000개인 단어집합(코퍼스)로 원-핫 벡터를 만들면 각각의 단어들은 모두 1,000개의 차원을 가진 벡터가 된다. (하나만 1이고, 999개는 0의 값을 가지는 벡터)

단어 유사도를 표현하지 못한다.
- 뒤에서 다시 다룸.
- 단어 간 유사성을 알 수 없다는 것은, search 분야의 자연어처리에서 굉장히 치명적인 단점이다. '숙소'를 검색했을 때 '호텔', '게스트 하우스' 등의 단어들 역시 유사단어로 포함시켜야 하기 때문.

위 두 가지의 단점을 보완하기 위해 단어의 잠재의미를 반영하여 다차원 공간에 벡터화 하는 기법이 있음.

카운트 기반의 벡터화 (LSA - 6챕터, HAL)
예측 기반의 벡터화 (NNLM, RNNLM, Word2Vec - 10챕터, FastText - 10챕터)
카운트 + 예측 기반의 벡터화 (GloVe - 10챕터)

데이터의 분리 (splitting data)¶

팀드라이브 자료 참고

언어모델 (Language Model)¶

언어모델이란?¶

단어 시퀀스(문장)에 확률을 할당하는 모델을 말한다.
기계가 문장의 진위여부를 사람처럼 판단하게 만들기 위해 언어 모델을 학습시켜야 함.
크게 통계를 이용한 방법(SLM)과 인공신경망을 이용한 방법(GPT, BERT 등) 두 가지로 구분할 수 있음.

언어모델¶

단어 시퀀스에 확률을 할당(assign)하는 역할을 함
가장 보편적인 방법은 단어들이 주어졌을 때 다음 단어를 예측하게 만드는 것임.
언어모델링: 주어진 단어들로부터 모르는 단어를 예측하는 작업.

단어시퀀스의 확률 할당¶

기계번역(Machine Translation)
- P(나는 버스를 탔다) > P(나는 버스를 태운다)
오타교정(Spell Correction)
- P(달려갔다) > P(잘려갔다)
음성인식(Speech Recognition)
- P(나는 메롱을 먹는다) < P(나는 메론을 먹는다)

주어진 이전 단어들로부터 다음 단어 예측하기¶

단어 시퀀스의 확률
- 하나의 단어를 w, 단어 시퀀스을 대문자 W라고 한다면, n개의 단어가 등장하는 단어 시퀀스 W의 확률
- P(W)=P(w1,w2,w3,w4,w5,...,wn)
다음 단어 등장 확률
- n -1개의 단어가 나열된 상태에서 n번째 단어의 확률
- P(wn|w1,...,wn−1)
- |: 조건부확률(conditional probability)
- 전체 단어 시퀀스 W의 확률은 모든 단어가 예측되고 나서야 알 수 있으므로 단어 시퀀스의 확률

통계적 언어모델 (Statistical Language Model, SLM)¶

조건부 확률¶

두 확률 P(A), P(B)에 대해서 아래 공식이 성립

p(B|A) = P(A,B) / P(A)
P(A,B) = P(A) * P(B|A)

4개의 확률이 조건부 확률의 관계일 때

P(A,B,C,D) = P(A) P(B|A) P(C|A,B) * P(D|A,B,C)

조건부 확률의 연쇄법칙

P(x1,x2,x3...xn) = P(x1) P(x2|x1) P(x3|x1,x2)...P(xn|x1...xn−1)

문장에 대한 확률¶

문장 'An adorable little boy is spreading smiles'의 확률 P(An adorable little boy is spreading smiles) =

즉,

각 단어는 문맥관계로 앞서 나온 단어의 영향을 받아 나타나게 되므로, 문장의 확률을 구할 때는 조건부 확률을 사용해야 하며, 한 문장이 나타날 확률은 각 단어에 대한 예측확률들의 곱이다.

카운트 기반의 접근¶

SLM은 이전 단어로부터 카운트에 기반하여 다음 단어에 대한 확률을 계산한다.

An adorable little boy가 나왔을 때 다음 단어로 is가 나타날 확률 = P(is|An adorable little boy)

P(is|An adorable little boy) = count(An adorable little boy is) / count(An adorable little boy )

카운트 기반 접근의 한계 - 희소 문제(Sparsity Problem)¶

언어모델은 실생활에서 사용되는 언어의 확률 분포를 근사모델링 한다. 정확하게 알아낼 방법은 없지만, 현실에서도 An adorable little boy가 나왔을 때 다음 단어로 is가 나타날 확률이 존재하긴 함. 이것을 현실에서의 확률분포라고 명칭했을 때, 많은 코퍼스로 훈련을 진행한 뒤 언어모델을 통해 현실에서의 확률 분포를 근사하는 것이 언어모델의 목표이다.
카운트를 기반으로 접근하기 위해서는 굉장히 방대한 양의 언어데이터가 필요할 것임.
만약 기계가 훈련한 코퍼스에 An adorable little boy라는 단어시퀀스는 여러번 등장하였으나 그 뒤에 is가 붙은 단어시퀀스가 존재하지 않는다면, 이 경우 확률은 0이 된다.
따라서 충분한 데이터를 관측하지 못하여, 언어를 제대로 모델링하지 못하는 문제를 희소문제(sparsity problem)이라고 한다.

N-gram이나 backoff와 같은 여러 일반화(generalization) 기법들은 희소문제에 대한 근본적인 해결책이 되지 못하고 있다. 이것이 인공신경망 언어모델(8챕터)로 넘어가게 되는 이유가 됨.

N-gram 언어모델¶

조건부 확률로 이전에 등장한 모든 단어를 고려하는 것이 아니라, 일부 단어만 고려하는 접근방법 사용.
몇 개의 단어를 볼거냐를 결정하는게 n-gram에서의 n값이다.

코퍼스에서 카운트하지 못하는 경우의 감소.¶

SLM의 한계는 확률을 계산하고 싶은 문장 혹은 단어가 없을 수 있다는 것임.
ex) An adorable little boy + is
ex) boy + is
단어 시퀀스의 길이가 짧으면 확률을 계산할 수 있는 가능성이 높아짐.
P(is|An adorable little boy) ≈ P(is|boy)
P(is|An adorable little boy) ≈ P(is|little boy)

N-gram¶

N-gram은 연속적인 단어 나열을 의미함.

코퍼스에서 애초에 n개의 단어 뭉치 단위로 끊고, 이것을 하나의 토큰으로 간주함.

  unigrams : an, adorable, little, boy, is, spreading, smiles

  bigrams : an adorable, adorable little, little boy, boy is, is spreading, spreading  smiles

  trigrams : an adorable little, adorable little boy, little boy is, boy is spreading, is spreading smiles

  4-grams : an adorable little boy, adorable little boy is, little boy is spreading, boy is spreading smiles

4-gram을 이용한 언어모델에서 An adorable little boy is spreading 다음에 나올 단어를 예측하고 싶을 때, 등장할 단어로부터 n-1개의 단어, 즉 앞에 3개의 단어인 'boy is spreading'만을 고려한다.

N-gram Lunguage Model의 한계¶

위의 예제와 같이 boy is spreading 만을 고려하게 된다면 그 앞의 단어시퀀스인 an adorable little은 반영되지 않는다.
이러한 것처럼, 의도하고 싶은 대로 문장을 만들어내지 못할 가능성이 생기기에, 전체를 고려한 언어모델보다는 정확도가 떨어짐.
여전히 희소문제 발생 가능성이 있음.
n을 얼마나 선택해야 할 지에 대한 문제가 발생

카운트 기반의 단어표현¶

Bag of Words (BoW)¶

Bag of Words란?¶

단어들의 순서는 전혀 고려하지 않고, 출현빈도(frequency)에만 집중하는 텍스트 데이터의 수치화 표현 방법.
직역하면 '단어들의 가방'이란 뜻.

생성방법
1. 각 단어에 고유한 정수 인덱스를 부여함. (정수인코딩)
2. 각 인덱스의 위치에 단어 토큰의 등장 횟수를 기록한 벡터를 만듦.

In [ ]:

from konlpy.tag import Okt
import re  
okt=Okt()  

token=re.sub("(\.)","","정부가 발표하는 물가상승률과 소비자가 느끼는 물가상승률은 다르다.")  
# 정규 표현식을 통해 온점을 제거하는 정제 작업입니다.  
token=okt.morphs(token)  
# OKT 형태소 분석기를 통해 토큰화 작업을 수행한 뒤에, token에다가 넣습니다.  

word2index={}  
bow=[]  
for voca in token:  
         if voca not in word2index.keys():  
             word2index[voca]=len(word2index)  
# token을 읽으면서, word2index에 없는 (not in) 단어는 새로 추가하고, 이미 있는 단어는 넘깁니다.   
             bow.insert(len(word2index)-1,1)
# BoW 전체에 전부 기본값 1을 넣어줍니다. 단어의 개수는 최소 1개 이상이기 때문입니다.  
         else:
            index=word2index.get(voca)
# 재등장하는 단어의 인덱스를 받아옵니다.
            bow[index]=bow[index]+1
# 재등장한 단어는 해당하는 인덱스의 위치에 1을 더해줍니다. (단어의 개수를 세는 것입니다.)  
print(word2index)
bow

{'정부': 0, '가': 1, '발표': 2, '하는': 3, '물가상승률': 4, '과': 5, '소비자': 6, '느끼는': 7, '은': 8, '다르다': 9}

Out[ ]:

[1, 2, 1, 1, 2, 1, 1, 1, 1, 1]

Bag of Words의 다른 예제들¶

In [ ]:

from konlpy.tag import Okt
import re  
okt=Okt()  

token=re.sub("(\.)","","소비자는 주로 소비하는 상품을 기준으로 물가상승률을 느낀다.")  
# 정규 표현식을 통해 온점을 제거하는 정제 작업입니다.  
token=okt.morphs(token)  
# OKT 형태소 분석기를 통해 토큰화 작업을 수행한 뒤에, token에다가 넣습니다.  

word2index={}  
bow=[]  
for voca in token:  
         if voca not in word2index.keys():  
             word2index[voca]=len(word2index)  
# token을 읽으면서, word2index에 없는 (not in) 단어는 새로 추가하고, 이미 있는 단어는 넘깁니다.   
             bow.insert(len(word2index)-1,1)
# BoW 전체에 전부 기본값 1을 넣어줍니다. 단어의 개수는 최소 1개 이상이기 때문입니다.  
         else:
            index=word2index.get(voca)
# 재등장하는 단어의 인덱스를 받아옵니다.
            bow[index]=bow[index]+1
# 재등장한 단어는 해당하는 인덱스의 위치에 1을 더해줍니다. (단어의 개수를 세는 것입니다.)  
print(word2index)
bow

{'소비자': 0, '는': 1, '주로': 2, '소비': 3, '하는': 4, '상품': 5, '을': 6, '기준': 7, '으로': 8, '물가상승률': 9, '느낀다': 10}

Out[ ]:

[1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 1, 1, 1, 1]

In [ ]:

from konlpy.tag import Okt
import re  
okt=Okt()  

token=re.sub("(\.)","","정부가 발표하는 물가상승률과 소비자가 느끼는 물가상승률은 다르다. 소비자는 주로 소비하는 상품을 기준으로 물가상승률을 느낀다.")  
# 정규 표현식을 통해 온점을 제거하는 정제 작업입니다.  
token=okt.morphs(token)  
# OKT 형태소 분석기를 통해 토큰화 작업을 수행한 뒤에, token에다가 넣습니다.  

word2index={}  
bow=[]  
for voca in token:  
         if voca not in word2index.keys():  
             word2index[voca]=len(word2index)  
# token을 읽으면서, word2index에 없는 (not in) 단어는 새로 추가하고, 이미 있는 단어는 넘깁니다.   
             bow.insert(len(word2index)-1,1)
# BoW 전체에 전부 기본값 1을 넣어줍니다. 단어의 개수는 최소 1개 이상이기 때문입니다.  
         else:
            index=word2index.get(voca)
# 재등장하는 단어의 인덱스를 받아옵니다.
            bow[index]=bow[index]+1
# 재등장한 단어는 해당하는 인덱스의 위치에 1을 더해줍니다. (단어의 개수를 세는 것입니다.)  
print(word2index)
bow

{'정부': 0, '가': 1, '발표': 2, '하는': 3, '물가상승률': 4, '과': 5, '소비자': 6, '느끼는': 7, '은': 8, '다르다': 9, '는': 10, '주로': 11, '소비': 12, '상품': 13, '을': 14, '기준': 15, '으로': 16, '느낀다': 17}

Out[ ]:

[1, 2, 1, 2, 3, 1, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 1, 1, 1]

CountVectorizer 클래스로 BoW 만들기¶

sklearn

In [ ]:

from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
corpus = ['you know I want your love. because I love you.']
vector = CountVectorizer()
print(vector.fit_transform(corpus).toarray()) # 코퍼스로부터 각 단어의 빈도 수를 기록한다.
print(vector.vocabulary_) # 각 단어의 인덱스가 어떻게 부여되었는지를 보여준다.

[[1 1 2 1 2 1]]
{'you': 4, 'know': 1, 'want': 3, 'your': 5, 'love': 2, 'because': 0}

불용어를 제거한 BoW 만들기¶

사용자가 직접 정의한 불용어 사용

In [ ]:

from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer

text=["Family is not an important thing. It's everything."]
vect = CountVectorizer(stop_words=["the", "a", "an", "is", "not"])
print(vect.fit_transform(text).toarray()) 
print(vect.vocabulary_)

[[1 1 1 1 1]]
{'family': 1, 'important': 2, 'thing': 4, 'it': 3, 'everything': 0}

CountVectorizer에서 제공하는 자체 불용어 사용

In [ ]:

from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer

text=["Family is not an important thing. It's everything."]
vect = CountVectorizer(stop_words="english")
print(vect.fit_transform(text).toarray())
print(vect.vocabulary_)

[[1 1 1]]
{'family': 0, 'important': 1, 'thing': 2}

NLTK에서 지원하는 불용어 사용

In [ ]:

import nltk
nltk.download('stopwords')
from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
from nltk.corpus import stopwords

text=["Family is not an important thing. It's everything."]
sw = stopwords.words("english")
vect = CountVectorizer(stop_words =sw)
print(vect.fit_transform(text).toarray()) 
print(vect.vocabulary_)

[nltk_data] Downloading package stopwords to /root/nltk_data...
[nltk_data]   Unzipping corpora/stopwords.zip.
[[1 1 1 1]]
{'family': 1, 'important': 2, 'thing': 3, 'everything': 0}

문서 단어 행렬 (Document-Term Matrix, DTM)¶

서로 다른 BoW들을 결합한 표현 방법임.
행과 열을 반대로 선택하면 TDM이라고도 부름.
서로 다른 문서들을 비교할 수 있음.

문서 단어 행렬(DTM)의 표기법¶

DTM은 다수의 문서에서 등장하는 각 단어들의 빈도를 행렬로 표현한 것임.

문서 단어 행렬의 한계¶

희소표현 (Sparse representation)
- 각 행을 문서벡터라고 생각하면, 원-핫 벡터와 마찬가지로 전체 단어 집합의 크기를 가짐.
- 코퍼스의 크기가 큰 경우 수백만의 차원을 가질 수도 있음. 이 경우, 문서 벡터 대부분의 값이 0일 수도 있다.
- 따라서 BoW 표현을 사용할 때 단어집합의 크기를 줄이는 일이 매우 중요함. 토크나이징을 통한 정규화로 크기를 줄일 수 있음.
단순 빈도 수 기반 접근
- 세 개의 문서에서 the가 가장 빈도수가 높았다고 해서, 세 문서가 유사하다고 판단할 수는 없음.
- 불용어와 중요한 단어에 대한 가중치를 줄 수 있는 방법: TF-IDF

TF-IDF(Term Frequency-Inverse Document Freq)¶

TF-IDF(단어 빈도 - 역 문서 빈도)¶

TF-IDF는 단어빈도와 역문서빈도마다 중요한 정도를 가중치로 주는 방법이다. DTM을 만든 이후 TF-IDF 가중치를 부여한다.
문서 유사도를 구하는 작업이나 검색시스템에서 사용될 수 있음.
TF-IDF는 TF와 IDF를 곱한 값이다.
1. tf(d, t): 특정 문서 d에서 특정 단어 t의 등장횟수
2. df(t): 특정 단어 t가 등장한 문서의 수
3. idf(d, t): df(t)의 반비례 수
  - 단순 역수가 아니라 log를 취하고 분모에 1을 더해줌. 로그를 사용하지 않은 단순 역수이면 문서의 수가 많아질수록 idf값이 커지게 된다.
  - n: 문서의 개수

파이썬으로 TF-IDF 직접 구현하기¶

In [ ]:

import pandas as pd # 데이터프레임 사용을 위해
from math import log # IDF 계산을 위해
docs = [
  '먹고 싶은 사과',
  '먹고 싶은 바나나',
  '길고 노란 바나나 바나나',
  '저는 과일이 좋아요'
] 
vocab = list(set(w for doc in docs for w in doc.split()))
vocab.sort()

N = len(docs) # 총 문서의 수

def tf(t, d):
    return d.count(t)

def idf(t):
    df = 0
    for doc in docs:
        df += t in doc
    return log(N/(df + 1))

def tfidf(t, d):
    return tf(t,d)* idf(t)

result = []
for i in range(N): # 각 문서에 대해서 아래 명령을 수행
    result.append([])
    d = docs[i]
    for j in range(len(vocab)):
        t = vocab[j]        
        result[-1].append(tf(t, d))

tf_ = pd.DataFrame(result, columns = vocab)
tf_

Out[ ]:

	과일이	길고	노란	먹고	바나나	사과	싶은	저는	좋아요
0	0	0	0	1	0	1	1	0	0
1	0	0	0	1	1	0	1	0	0
2	0	1	1	0	2	0	0	0	0
3	1	0	0	0	0	0	0	1	1

In [ ]:

result = []
for j in range(len(vocab)):
    t = vocab[j]
    result.append(idf(t))

idf_ = pd.DataFrame(result, index = vocab, columns = ["IDF"])
idf_

Out[ ]:

	IDF
과일이	0.693147
길고	0.693147
노란	0.693147
먹고	0.287682
바나나	0.287682
사과	0.693147
싶은	0.287682
저는	0.693147
좋아요	0.693147

In [ ]:

result = []
for i in range(N):
    result.append([])
    d = docs[i]
    for j in range(len(vocab)):
        t = vocab[j]

        result[-1].append(tfidf(t,d))

tfidf_ = pd.DataFrame(result, columns = vocab)
tfidf_

Out[ ]:

	과일이	길고	노란	먹고	바나나	사과	싶은	저는	좋아요
0	0.000000	0.000000	0.000000	0.287682	0.000000	0.693147	0.287682	0.000000	0.000000
1	0.000000	0.000000	0.000000	0.287682	0.287682	0.000000	0.287682	0.000000	0.000000
2	0.000000	0.693147	0.693147	0.000000	0.575364	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000
3	0.693147	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0.693147	0.693147

싸이킷런을 이용한 DTM과 TF-IDE¶

In [ ]:

from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
corpus = [
    'you know I want your love',
    'I like you',
    'what should I do ',    
]
vector = CountVectorizer()
print(vector.fit_transform(corpus).toarray()) # 코퍼스로부터 각 단어의 빈도 수를 기록한다.
print(vector.vocabulary_) # 각 단어의 인덱스가 어떻게 부여되었는지를 보여준다.

[[0 1 0 1 0 1 0 1 1]
 [0 0 1 0 0 0 0 1 0]
 [1 0 0 0 1 0 1 0 0]]
{'you': 7, 'know': 1, 'want': 5, 'your': 8, 'love': 3, 'like': 2, 'what': 6, 'should': 4, 'do': 0}

In [ ]:

from sklearn.feature_extraction.text import TfidfVectorizer
corpus = [
    'you know I want your love',
    'I like you',
    'what should I do ',    
]
tfidfv = TfidfVectorizer().fit(corpus)
print(tfidfv.transform(corpus).toarray())
print(tfidfv.vocabulary_)

[[0.         0.46735098 0.         0.46735098 0.         0.46735098
  0.         0.35543247 0.46735098]
 [0.         0.         0.79596054 0.         0.         0.
  0.         0.60534851 0.        ]
 [0.57735027 0.         0.         0.         0.57735027 0.
  0.57735027 0.         0.        ]]
{'you': 7, 'know': 1, 'want': 5, 'your': 8, 'love': 3, 'like': 2, 'what': 6, 'should': 4, 'do': 0}

문서유사도 (Document Similarity)¶

코사인 유사도 (Cosine Similarity)¶

코사인 유사도란?¶

두 벡터 간의 코사인 각도를 이용하여 구할 수 있는 두 벡터의 유사도를 의미한다.
두 벡터 방향이 완전히 동일한 경우 1, 90도의 각을 이루면 0, 180도로 반대방향이면 -1의 값을 가진다. 1에 가까울수록 유사도가 높음. 즉, 두 벡터가 가리키는 방향이 얼마나 유사한가를 의미한다.
문서 단어 행렬이나 TF-IDF행렬을 통해 문서 유사도를 구하는 경우, 각각 행렬이 각각의 특징 벡터 A, B가 된다.

In [ ]:

from numpy import dot
from numpy.linalg import norm
import numpy as np
def cos_sim(A, B):
       return dot(A, B)/(norm(A)*norm(B))
doc1=np.array([0,1,1,1])
doc2=np.array([1,0,1,1])
doc3=np.array([2,0,2,2])
print(cos_sim(doc1, doc2)) #문서1과 문서2의 코사인 유사도
print(cos_sim(doc1, doc3)) #문서1과 문서3의 코사인 유사도
print(cos_sim(doc2, doc3)) #문서2과 문서3의 코사인 유사도

0.6666666666666667
0.6666666666666667
1.0000000000000002

유사도를 이용한 추천 시스템 구현¶

In [ ]:

import pandas as pd
data = pd.read_csv('/content/movies_metadata.csv', low_memory=False)
# 예를 들어 윈도우 바탕화면에 해당 파일을 위치시킨 저자의 경우
# pd.read_csv(r'C:\Users\USER\Desktop\movies_metadata.csv', low_memory=False)
data.head(2)
data=data.head(20000)
print(data['overview'].isnull().sum())
data['overview'] = data['overview'].fillna('') # NULL을 ''로 변경

In [ ]:

from sklearn.feature_extraction.text import TfidfVectorizer
tfidf = TfidfVectorizer(stop_words='english')
tfidf_matrix = tfidf.fit_transform(data['overview'])
# overview에 대해서 tf-idf 수행
print(tfidf_matrix.shape) # 2만개의 영화를 위해 47,487개의 단어가 사용되었음.

(20000, 47487)

In [ ]:

# 코사인 유사도 구하기
from sklearn.metrics.pairwise import linear_kernel
cosine_sim = linear_kernel(tfidf_matrix, tfidf_matrix)
cosine_sim

Out[ ]:

array([[1.        , 0.01575748, 0.        , ..., 0.        , 0.        ,
        0.        ],
       [0.01575748, 1.        , 0.04907345, ..., 0.        , 0.        ,
        0.        ],
       [0.        , 0.04907345, 1.        , ..., 0.        , 0.        ,
        0.        ],
       ...,
       [0.        , 0.        , 0.        , ..., 1.        , 0.        ,
        0.08375766],
       [0.        , 0.        , 0.        , ..., 0.        , 1.        ,
        0.        ],
       [0.        , 0.        , 0.        , ..., 0.08375766, 0.        ,
        1.        ]])

In [ ]:

indices = pd.Series(data.index, index=data['title']).drop_duplicates()
print(indices.head())

title
Toy Story                      0
Jumanji                        1
Grumpier Old Men               2
Waiting to Exhale              3
Father of the Bride Part II    4
dtype: int64

In [ ]:

idx = indices['Father of the Bride Part II']
print(idx)

In [ ]:

def get_recommendations(title, cosine_sim=cosine_sim):
    # 선택한 영화의 타이틀로부터 해당되는 인덱스를 받아옵니다. 이제 선택한 영화를 가지고 연산할 수 있습니다.
    idx = indices[title]

    # 모든 영화에 대해서 해당 영화와의 유사도를 구합니다.
    sim_scores = list(enumerate(cosine_sim[idx]))

    # 유사도에 따라 영화들을 정렬합니다.
    sim_scores = sorted(sim_scores, key=lambda x: x[1], reverse=True)

    # 가장 유사한 10개의 영화를 받아옵니다.
    sim_scores = sim_scores[1:11]

    # 가장 유사한 10개의 영화의 인덱스를 받아옵니다.
    movie_indices = [i[0] for i in sim_scores]

    # 가장 유사한 10개의 영화의 제목을 리턴합니다.
    return data['title'].iloc[movie_indices]

get_recommendations('The Dark Knight Rises')

Out[ ]:

12481                            The Dark Knight
150                               Batman Forever
1328                              Batman Returns
15511                 Batman: Under the Red Hood
585                                       Batman
9230          Batman Beyond: Return of the Joker
18035                           Batman: Year One
19792    Batman: The Dark Knight Returns, Part 1
3095                Batman: Mask of the Phantasm
10122                              Batman Begins
Name: title, dtype: object

여러가지 유사도 기법¶

유클리드 거리 (Euclidean distance)¶

2차원 좌표 평면 상에서 두 점 p와 q사이의 직선 거리를 구하는 문제임. (피타고라스 정리 이용)
유클리드 거리 공식 사용은, 2차원을 단어의 총 개수만큼의 차원으로 확장시킨다는 이야기임.
ex) 문서 세 개, 단어 네 개의 DTM이 있는 상황
- 단어 개수가 4개이므로, 유클리드 직선 거리는 4차원 공간에 문서 1, 2, 3을 배치하는 것과 같다. 이 때 새로운 문서 Q에 대하여 가장 유사한 문서를 찾아내는 것임.

In [ ]:

import numpy as np
def dist(x,y):   
    return np.sqrt(np.sum((x-y)**2))

doc1 = np.array((2,3,0,1))
doc2 = np.array((1,2,3,1))
doc3 = np.array((2,1,2,2))
docQ = np.array((1,1,0,1))

print(dist(doc1,docQ))
print(dist(doc2,docQ))
print(dist(doc3,docQ))

2.23606797749979
3.1622776601683795
2.449489742783178

자카드 유사도(Jaccard similarity)¶

합집합에서 교집합의 비율이 유사도로 이어질 것이라는 게 이 공식의 핵심 아이디어임.
0과 1 사이의 값을 가지고, 동일하면 1, 교집합이 없으면 0의 값을 가진다.

In [ ]:

# 다음과 같은 두 개의 문서가 있습니다.
# 두 문서 모두에서 등장한 단어는 apple과 banana 2개.
doc1 = "apple banana everyone like likey watch card holder"
doc2 = "apple banana coupon passport love you"

# 토큰화를 수행합니다.
tokenized_doc1 = doc1.split()
tokenized_doc2 = doc2.split()

# 토큰화 결과 출력
print(tokenized_doc1)
print(tokenized_doc2)

['apple', 'banana', 'everyone', 'like', 'likey', 'watch', 'card', 'holder']
['apple', 'banana', 'coupon', 'passport', 'love', 'you']

In [ ]:

union = set(tokenized_doc1).union(set(tokenized_doc2))
print(union)

{'card', 'apple', 'love', 'banana', 'coupon', 'watch', 'passport', 'likey', 'like', 'holder', 'you', 'everyone'}

In [ ]:

intersection = set(tokenized_doc1).intersection(set(tokenized_doc2))
print(intersection)

{'apple', 'banana'}

In [ ]:

print(len(intersection)/len(union)) # 2를 12로 나눔.

0.16666666666666666

2020-08-21 게시 됨2021-08-22 업데이트 됨42 Life18분안에 읽기 (약 2729 단어)

테크세미나 후기 <보이저엑스 남세동 대표, 42 SEOUL 카뎃과의 수다>

오랜만에 일정이 겹치지 않아서 테크세미나에 참여할 수 있었다.